Descubren el primer cristal de tiempo «rondó»: un nuevo ritmo en la materia cuántica
En un diamante, los físicos han hecho vibrar los átomos con un ritmo imposible: un orden que se repite en el tiempo y, a la vez, improvisa. El nuevo cristal de tiempo «rondó» esconde una forma inédita de materia cuántica, mitad regular, mitad caótica.
Por Enrique Coperías
Representación artística de un cristal de tiempo rondó, un nuevo estado de la materia cuántica observado en un diamante. En él, los átomos vibran siguiendo un ritmo estable pero con variaciones internas, como una melodía que se repite y se transforma. El experimento, realizado por un equipo internacional liderado desde la Universidad de California en Berkeley, demuestra una forma inédita de orden en el tiempo.
Durante siglos, los físicos han clasificado la materia según el orden de sus átomos en el espacio: sólidos, líquidos, gases o cristales que repiten su estructura como una cuadrícula infinita.
Pero en los últimos años, los científicos han empezado a descubrir formas de orden temporal que no se manifiestan solo en el espacio, sino también en el tiempo.
El hallazgo más reciente, publicado en Nature Physics por un equipo internacional liderado desde la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos (Alemania), añade un nuevo compás a esta partitura: el cristal de tiempo rondó. Se trata de una fase de la materia cuántica que alterna regularidad y desorden en su evolución temporal, como si siguiera una melodía con estribillos y variaciones, como la danza en círculo, ronda o rondó, una forma musical y coreográfica de la Edad Media francesa en la que un tema principal se repite varias veces, alternando con episodios distintos.
Del hielo al tiempo: una nueva forma de simetría rota
El concepto de orden físico se remonta a la teoría de fases de Lev Landau, Vitaly Ginzburg y Kenneth Wilson: cada estado de la materia se define por las simetrías que rompe. El hielo, por ejemplo, rompe la simetría de traslación espacial, porque sus átomos se organizan en una red periódica. Durante décadas, se pensó que algo parecido —un patrón repetido— no podía existir en el tiempo: la naturaleza, se decía, no podía cristalizar en el flujo temporal.
Esa idea cambió en 2012, cuando el nobel Frank Wilczek propuso los cristales de tiempo, sistemas que oscilan de manera rítmica sin gasto de energía, repitiendo su estado como un péndulo perpetuo. Experimentos con iones atrapados, cúbits superconductores y diamantes cuánticos han confirmado desde entonces la existencia de cristales de tiempo discretos, donde los átomos o espines repiten su comportamiento cada cierto número de impulsos externos.
El nuevo trabajo da un paso más en esta dirección, ya que demuestra que el orden temporal puede ser parcial y estructurado, combinando regularidad y azar. A esta nueva categoría los autores la llaman rondó, en alusión a la forma musical del rondó, en la que un tema principal reaparece entre episodios contrastantes, como en el famoso Rondo alla Turca de Mozart. En un cristal de tiempo rondó, el sistema mantiene un ritmo general, pero su micromovimiento entre repeticiones es variable y aparentemente caótico.
El experimento: un diamante que vibra entre el orden y el caos
El experimento se ha realizado en un pequeño cristal de diamante dopado con átomos de carbono-13, cuyos núcleos atómicos actúan como diminutos imanes cuánticos (espines). El equipo, encabezado por Leo Joon Il Moon, de la Universidad de California en Berkeley; y Paul M. Schindler y Yizhe Sun, del Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems;, empleó un complejo sistema de microondas y campos magnéticos para hacer bailar esos espines siguiendo diferentes patrones temporales.
Usando una arquitectura de control cuántico basada en un generador de ondas arbitrarias, los investigadores pudieron aplicar secuencias de pulsos que iban desde totalmente periódicas hasta aleatorias o cuasiperiódicas. El corazón del experimento fueron los llamados random multipolar drives (RMD), una familia de impulsos estructurados que introducen desorden controlado en el tiempo.
El resultado fue sorprendente, pues, pese a la aparente irregularidad de los estímulos, los núcleos de carbono mantuvieron un orden temporal estable durante más de cuatro segundos —un tiempo extraordinariamente largo en el ámbito cuántico—. En los momentos estrobo (de mediciones estroboscópicas), tomados cada ciclo completo de la excitación, el sistema mostraba un comportamiento regular, igual que un cristal de tiempo convencional. Pero entre esos puntos, en las fracciones intermedias del ciclo, las mediciones revelaban fluctuaciones aleatorias: el sistema conservaba una pauta global pero con un desorden microscópico superpuesto.
«Es como un coro que canta la misma melodía, pero donde cada voz improvisa pequeñas variaciones entre estrofa y estrofa”, resume metafóricamente Sun.
Un orden que se puede programar
El grupo comprobó que este nuevo tipo de orden podía ajustarse a voluntad: cambiando la forma y la secuencia de los pulsos, podían aumentar o disminuir el grado de desorden sin destruir la coherencia global. Esa capacidad de modular el caos interno del sistema distingue al cristal de tiempo rondó de los cristales de tiempo clásicos, que son rígidos y repetitivos.
La descripción matemática del fenómeno se apoya en el análisis de Fourier, una herramienta que descompone las oscilaciones en sus frecuencias constituyentes. En un cristal de tiempo convencional, el espectro de Fourier muestra picos discretos, como las notas puras de una escala musical.
En cambio, el cristal rondó presenta un espectro continuo, más parecido a un acorde complejo o a un sonido con armónicos irregulares. Esa huella espectral fue la prueba de que se trataba de un nuevo tipo de orden temporal, uno que combina periodicidad global y desorden local.
Frank Wilczek, físico teórico estadounidense y premio Nobel de Física 2004, es conocido por sus aportes a la cromodinámica cuántica (la teoría de las interacciones entre quarks y gluones) y por haber propuesto la idea de los cristales de tiempo. Cortesía: Niklas Björling / Stockholm University
La tecnología detrás del descubrimiento
El avance fue posible gracias a una plataforma experimental cuántica excepcionalmente estable. En el diamante, los espines nucleares están acoplados por interacciones dipolares y pueden ser hiperpolarizados mediante centros de vacante de nitrógeno, que actúan como bombas cuánticas de polarización.
El equipo diseñó un sistema capaz de emitir y registrar cientos de miles de pulsos con precisión de nanosegundos, y de medir la evolución de la polarización en tiempo real sin perturbar el sistema. Gracias a esa técnica de lectura continua, pudieron seguir la dinámica durante decenas de segundos —una eternidad en términos de coherencia cuántica— y explorar un vasto abanico de condiciones.
Los investigadores comprobaron además que el cristal rondó es robusto frente a perturbaciones: pequeñas variaciones en el ángulo de los pulsos o en el periodo del ciclo no destruyen el orden. La estructura temporal se mantiene estable en un rango amplio de parámetros, un signo de que se trata de una fase bien definida de la materia, no de un fenómeno accidental.
Incluso en condiciones alejadas del equilibrio térmico, cuando el sistema debería calentarse y perder coherencia, el orden se conserva durante un tiempo prolongado, lo que los autores denominan régimen pretermal. En ese estado intermedio, la energía absorbida por los espines se disipa lentamente, permitiendo observar la dinámica ordenada antes de que el sistema se derrita hacia el desorden completo.
Cuando el tiempo se convierte en memoria
Una de las demostraciones más llamativas del estudio fue el uso del cristal rondó como memoria temporal. Los científicos codificaron palabras y datos en la secuencia de pulsos —incluido el propio título del artículo, Experimental observation of a time rondeau crystal— y comprobaron que la información podía leerse directamente en el patrón del micromovimiento, sin que la estabilidad global del sistema se viera afectada.
En términos prácticos, cada oscilación del espín podía interpretarse como un bit binario (0 o 1), y la combinación de orden y desorden ofrecía un canal para almacenar y recuperar datos cuánticos en el dominio temporal. La codificación se mantuvo coherente durante más de 36 segundos, equivalente a más de mil bits legibles.
Este experimento sugiere que los cristales de tiempo rondó podrían servir como plataformas para almacenar o procesar información cuántica, una posibilidad que hasta hace poco pertenecía más a la ciencia ficción que a la física aplicada.
Un nuevo horizonte en la física del tiempo
El descubrimiento amplía radicalmente el paisaje de las fases no equilibradas de la materia. Hasta ahora, los cristales de tiempo y sus versiones cuasiperiódicas eran las únicas estructuras conocidas capaces de romper la simetría temporal de manera estable. El nuevo tipo de orden demuestra que la naturaleza puede sostener formas mixtas de organización, donde el orden y el desorden coexisten y se entrelazan.
«Esto cambia nuestra manera de pensar sobre el tiempo en la materia —explican los autores—. No solo puede haber ritmos regulares, sino también estructuras temporales con variaciones internas, como si el tiempo mismo tuviera textura».
El trabajo también abre la puerta a aplicaciones potenciales en sensores cuánticos, procesamiento de señales y materiales programables en el tiempo. Al poder ajustar la respuesta espectral del sistema, los científicos podrían diseñar detectores sensibles a frecuencias específicas o dispositivos que funcionen como filtros temporales cuánticos.
Además, la técnica podría trasladarse a otras plataformas de simulación cuántica —desde circuitos superconductores hasta gases ultrafríos— para explorar un zoológico entero de nuevos estados dinámicos de la materia.
Una sinfonía en el tiempo
Como los cristales de hielo revelaron hace un siglo el orden oculto del agua, los cristales de tiempo rondó podrían revelar una nueva capa de organización en la naturaleza: una simetría que se expresa no solo en el espacio, sino en la cadencia del tiempo.
En palabras de los investigadores, este hallazgo «muestra que el orden espaciotemporal no está limitado a los cristales de tiempo periódicos». En su lugar, la materia puede adoptar patrones complejos, rítmicos y a la vez impredecibles, como una pieza musical que nunca se repite del todo pero mantiene su armonía.
El universo, parece, también sabe improvisar. ⏹
Fuente: Moon, L. J. I., Schindler, P. M., Sun, Y. et al. Experimental observation of a time rondeau crystal. Nature Physics (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-03028-y
