En 2012, el premio Nobel Frank Wilczek propuso una idea radical: un cristal que se repite no solo en el espacio sino también en el tiempo, una fase de la materia que desarrolla espontáneamente un movimiento periódico, como un péndulo que nunca se detiene, sin ser empujado periódicamente. La idea fue sometida a un intenso escrutinio teórico, y durante años pareció que el «cristal de tiempo» de Wilczek podría ser imposible en equilibrio térmico. Pero una notable serie de experimentos desde 2017 ha demostrado lo contrario, primero con cristales de tiempo discretos en iones atrapados y luego con cristales de tiempo continuos en sistemas de átomo-cavidad.
Ahora, investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái han dado el siguiente paso: han construido un cristal espacio-temporal clásico macroscópico visible a simple vista y, por primera vez, lo han observado derretirse.
El experimento, publicado en PNAS y liderado por Matteo Baggioli y Jie Zhang, involucra aproximadamente 10,000 partículas en forma de disco impresas en 3D, cada una del tamaño de una moneda grande (8.8 milímetros de diámetro), colocadas sobre una placa vibratoria de aluminio de aproximadamente 50 centímetros (20 pulgadas) de ancho. Cada partícula tiene seis patas inclinadas alternadamente, como un pequeño rotor, y un punto marcador para seguir la orientación. Cuando la placa vibra a 100 Hz (una aceleración de aproximadamente 3 veces la gravedad terrestre), las colisiones entre las patas inclinadas y la placa generan fuerzas activas que ponen las partículas en movimiento.
A alta densidad, ocurre algo extraordinario: las 10,000 partículas se sincronizan espontáneamente en una única rotación coherente de cuerpo rígido con un período de aproximadamente 4.7 a 5.5 horas, aproximadamente seis órdenes de magnitud más lento que la excitación de 100 Hz. El sistema ha roto espontáneamente la simetría de traslación temporal continua: ha elegido su propio ritmo. El espectro de Fourier muestra un pico agudo a aproximadamente 5.5 × 10⁻⁵ Hz, confirmando un orden temporal periódico genuino. La rotación persiste durante casi un día, limitada solo por el aparato, y sobrevive a una fuerte inyección de ruido acústico. En experimentos de control con siete réplicas más pequeñas, los tiempos de inicio y las direcciones de rotación fueron aleatorios, confirmando la naturaleza espontánea del ordenamiento.
El desmoronamiento en tres etapas
La idea central del artículo proviene de lo que sucede cuando los investigadores reducen la densidad de partículas. Al retirar lentamente partículas de la placa (disminuyendo la fracción de empaquetamiento), observaron cómo el cristal espacio-temporal se derrite a través de tres etapas distintas, una progresión nunca antes observada en ningún sistema de cristal espacio-temporal.
En la primera etapa, con una fracción de empaquetamiento de aproximadamente 0.734, el sistema entra en lo que los investigadores llaman «T-coexistencia». El orden temporal (cristalino temporal) comienza a descomponerse: algunas regiones de la placa continúan rotando coherentemente mientras que otras se vuelven temporalmente desordenadas. Mientras tanto, la red espacial ya se ha derretido de un cristal a una fase hexática, un estado con orden orientacional de cuasi-largo alcance pero solo un orden traslacional débil, un intermedio familiar en la teoría clásica de fusión bidimensional de Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson y Young.
En la segunda etapa, con una fracción de empaquetamiento de aproximadamente 0.709, el orden temporal se pierde por completo; no queda rotación coherente. Ahora el orden espacial comienza su propia descomposición, entrando en lo que el equipo llama «S-coexistencia»: dominios hexáticos y dominios fluidos coexisten en la placa.
En la tercera etapa, por debajo de una fracción de empaquetamiento de 0.687, todo el orden espacial desaparece y el sistema se convierte en un fluido isotrópico de partículas que experimentan movimiento browniano aleatorio.
«El hallazgo más sorprendente es que el orden espacial y temporal se desacoplan, se derriten mediante mecanismos completamente diferentes», dijo el co-primer autor Guoqing Liu. «El orden temporal se destruye por la pérdida de persistencia direccional a medida que las interacciones de muchos cuerpos se debilitan, mientras que el orden espacial pasa por el escenario clásico de fusión mediada por defectos KTHNY.»
Por qué esto importa
El experimento proporciona el primer diagrama de fase experimental completo de un cristal espacio-temporal. Trabajos anteriores se habían centrado en realizar estos estados exóticos de la materia; nadie había estudiado sistemáticamente cómo se desintegran.
El desacoplamiento de la ruptura de simetría espacial y temporal es una percepción física fundamental. Sugiere que los cristales espacio-temporales, a pesar de su nombre, no son objetos unitarios cuyo orden se mantiene o cae junto. Los dos tipos de periodicidad, en el espacio y en el tiempo, están respaldados por mecanismos físicos separados y pueden ser destruidos de forma independiente.
«Este es un sistema clásico, no uno cuántico», señaló Baggioli. «Pero el principio de ruptura de simetría es universal. El hecho de que podamos observar estos efectos en un experimento de mesa con piezas impresas en 3D es notable.»
El trabajo también abre una nueva dirección: el estudio de análogos temporales de fases espaciales bien conocidas. La fase hexática, por ejemplo, tiene una contraparte temporal, un «tiempo hexático», que podría ser observable en la región de T-coexistencia. El concepto de diagramas de fase para cristales espacio-temporales es ahora una búsqueda experimental concreta en lugar de una abstracción teórica.
Varias advertencias merecen ser señaladas. La rotación en el sistema es siempre en sentido antihorario, un artefacto de una pequeña imperfección experimental más que una verdadera ruptura de quiralidad espontánea. El sistema es un estado estacionario clásico, impulsado y fuera de equilibrio, no es un cristal de tiempo cuántico del tipo que Wilczek imaginó originalmente. Y el escenario de fusión específico puede depender de los detalles de la disipación y los mecanismos de impulsión del sistema granular.
No obstante, el experimento demuestra que un cristal espacio-temporal clásico puede construirse, observarse y desarmarse sistemáticamente, una hazaña que habría parecido ciencia ficción cuando Wilczek propuso el concepto por primera vez hace 14 años.
Fuente: Liu, G., Bai, J., Baggioli, M. & Zhang, J. «Three-stage melting of a macroscopic continuous spacetime crystal.» PNAS 123(27), e2613063123 (2026). DOI: 10.1073/pnas.2613063123
Traducido por Alessandra