Físicos crean cristales de tiempo que levitan con el sonido, se pueden sostener en la mano y desafían las leyes clásicas de la física

Un pequeño conjunto de bolitas de poliestireno flotando en el aire puede no parecer, a primera vista, un hallazgo destinado a ocupar titulares científicos. Sin embargo, ese sistema aparentemente simple ha permitido observar un fenómeno que hasta hace poco pertenecía casi por completo al terreno teórico: un cristal de tiempo clásico que se mantiene activo sin necesidad de un impulso periódico externo. El experimento, desarrollado por un equipo de la Universidad de Nueva York, muestra que estas estructuras no solo existen, sino que además pueden verse a simple vista y manipularse con un dispositivo portátil.

El trabajo, publicado en Physical Review Letters bajo el título Nonreciprocal wave-mediated interactions power a classical time crystal, describe cómo dos partículas levitadas mediante sonido pueden entrar en un estado de oscilación estable que rompe la simetría temporal del sistema. No se trata de un efecto efímero ni de una curiosidad experimental: los autores demuestran, con teoría y datos experimentales, que el sistema cumple las condiciones necesarias para ser considerado un cristal de tiempo continuo, una forma de materia fuera del equilibrio que mantiene un ritmo propio.

Qué es realmente un cristal de tiempo y por qué importa

Un cristal convencional se define por su estructura espacial ordenada: sus átomos o moléculas se repiten de forma periódica en el espacio. En cambio, un cristal de tiempo se caracteriza por una periodicidad en el tiempo, es decir, por un movimiento que se repite de manera regular incluso cuando el sistema no recibe un empujón externo constante. En palabras del propio artículo, un cristal de tiempo clásico es “un sistema dinámico cuya simetría espacio-temporal se rompe de manera espontánea”.

Esta idea implica algo profundo: el sistema elige por sí mismo un ritmo. No responde simplemente a una fuerza externa que marca el compás, sino que genera una oscilación estable como propiedad emergente. En el caso estudiado, esa oscilación adopta la forma de un ciclo límite estable, una trayectoria periódica en el espacio de estados que se mantiene a pesar de la fricción y las pérdidas de energía.

La relevancia de este concepto va más allá de la física teórica. Los cristales de tiempo permiten explorar cómo surgen comportamientos colectivos complejos en sistemas aparentemente simples. Además, ayudan a entender mejor la frontera entre sistemas pasivos y activos, una distinción clave en campos que van desde la materia blanda hasta la biología.

Levitación acústica: sostener materia con ondas sonoras

El experimento se apoya en una tecnología relativamente accesible: un levitador acústico que genera una onda estacionaria de sonido en el aire. Esa onda crea una serie de nodos de presión que actúan como pozos de energía, capaces de atrapar objetos pequeños contra la gravedad. En este caso, los objetos son esferas de poliestireno expandido, de tamaño milimétrico.

Cada esfera queda confinada en uno de esos nodos, como si estuviera sujeta por un muelle invisible. La fuerza responsable de este confinamiento es conocida como fuerza de Gor’kov, y depende tanto de las propiedades del sonido como de las características físicas de la partícula. El resultado es un sistema sorprendentemente estable, en el que las partículas pueden permanecer suspendidas durante largos periodos de tiempo.

Pero el aspecto clave no es solo que las partículas floten. Lo verdaderamente importante es que interactúan entre sí a través de las ondas sonoras que dispersan. Cada esfera modifica el campo acústico y, al hacerlo, influye en el movimiento de las demás. Esa interacción mediada por ondas es el motor del fenómeno observado.

Interacciones no recíprocas y el desafío a la tercera ley de Newton

En la física clásica, las fuerzas entre dos objetos suelen obedecer la tercera ley de Newton: a toda acción corresponde una reacción igual y opuesta. Sin embargo, el sistema estudiado no está cerrado. Las ondas sonoras pueden transportar momento lejos de las partículas, lo que permite que las fuerzas entre ellas sean no recíprocas.

El propio artículo lo expresa con claridad: “Las interacciones mediadas por ondas no están constreñidas por la tercera ley de Newton porque los dispersores no forman un sistema cerrado”. Esto significa que una partícula puede ejercer una influencia mayor sobre otra sin recibir exactamente la misma fuerza a cambio.

Cuando las dos esferas tienen tamaños distintos, esta asimetría se vuelve crucial. La esfera mayor dispersa más sonido y, por tanto, afecta con mayor intensidad a la más pequeña. El resultado es una interacción desequilibrada que permite extraer energía del campo acústico y transformarla en movimiento sostenido.

De partículas pasivas a materia activa emergente

Las esferas de poliestireno no son, por sí mismas, objetos activos. No consumen energía ni generan movimiento de manera autónoma. Sin embargo, al interactuar de forma no recíproca dentro del campo acústico, el sistema completo adquiere propiedades típicas de la materia activa, como la capacidad de mantener un movimiento constante.

Oscilaciones sostenidas y ruptura espontánea de la simetría temporal

Bajo determinadas condiciones, la interacción no recíproca compensa exactamente las pérdidas por fricción con el aire. En ese punto, el sistema entra en un régimen de oscilación sostenida, sin necesidad de un impulso periódico externo. Dos partículas son suficientes para acceder a varios estados dinámicos, incluidos aquellos que cumplen la definición de cristal de tiempo.

Los autores muestran que uno de estos estados corresponde a una oscilación antisimétrica estable, en la que las partículas se mueven de forma coordinada pero opuesta. Esta oscilación rompe tanto la simetría espacial como la temporal del sistema y se mantiene durante tiempos muy largos.

Según el artículo, “demostramos que un sistema mínimo compuesto por dos partículas levitadas acústicamente puede acceder a estados estacionarios activos, uno de los cuales es un cristal de tiempo clásico continuo”. Esta afirmación resume el núcleo del hallazgo.

Un cristal de tiempo visible y manipulable

Uno de los aspectos más llamativos del experimento es su escala macroscópica. A diferencia de otros cristales de tiempo observados en sistemas cuánticos o extremadamente controlados, este puede verse directamente y sostenerse en la mano junto con el dispositivo que lo genera.

Las oscilaciones se registran con una cámara de vídeo convencional y se mantienen durante periodos muy superiores al tiempo característico de disipación del sistema. Esto confirma que no se trata de una oscilación transitoria, sino de un estado fuera del equilibrio robusto y estable.

Además, el uso de un montaje relativamente sencillo abre la puerta a nuevas aplicaciones. Los autores sugieren que este tipo de sistemas podría servir como osciladores compactos, detectores resonantes o bases temporales, aprovechando su capacidad para mantener un ritmo preciso sin un control externo continuo.

Implicaciones más allá de la física fundamental

El interés del trabajo no se limita a la demostración experimental. Los autores señalan que fenómenos análogos podrían aparecer en otros sistemas donde partículas pasivas interactúan mediante ondas, como estructuras fotónicas o incluso conjuntos de objetos flotantes en líquidos.

Este enfoque también ofrece un marco conceptual para entender procesos biológicos en los que las interacciones no recíprocas desempeñan un papel clave. Aunque el experimento no pretende modelar directamente sistemas vivos, sí aporta pistas sobre cómo pueden surgir ritmos estables en redes complejas sin un reloj central.

En ese sentido, los cristales de tiempo dejan de ser una rareza teórica para convertirse en una herramienta conceptual útil, capaz de conectar áreas tan distintas como la materia activa, la acústica y la física de sistemas fuera del equilibrio.