Realización de un cristal de tiempo continuo basado en metamaterial fotónico

Un cristal de tiempo, como se propuso originalmente en 2012, es un nuevo estado de la materia en el que las partículas se encuentran en un movimiento oscilatorio continuo. Los cristales de tiempo rompen la simetría de la traducción del tiempo. Los cristales de tiempo discreto hacen esto al oscilar bajo la acción de una fuerza paramétrica externa periódica, y este tipo de cristal de tiempo se ha demostrado en iones, átomos y sistemas con espín atrapado.

Los cristales de tiempo continuo son más interesantes y posiblemente más importantes, ya que exhiben una simetría continua en la traslación del tiempo pero pueden entrar espontáneamente en un régimen de movimiento periódico, debido a una pequeña perturbación que se desvanece. Ahora se entiende que este estado solo es posible en un sistema abierto, y recientemente se ha observado un estado de cristal cuántico continuo en un sistema cuántico de átomos muy fríos dentro de una fotocavidad iluminada por luz.

En un artículo publicado en física de la naturalezainvestigadores de la Universidad de Southampton en el Reino Unido han demostrado que la nanoestructura de un metamaterial clásico puede forzarse a un estado que exhibe las mismas propiedades clave de un cristal de tiempo continuo.

«Hemos estado estudiando las interacciones de la materia fotónica con los metamateriales nanomecánicos durante varios años», dijo a Phys.org Nikolai I. Zeludov, uno de los investigadores que realizó el estudio. «Recientemente nos dimos cuenta de que esta era una plataforma ideal para demostrar el estado cristalino del tiempo»,

Como parte de su último estudio, Zheludev y sus colegas se propusieron realizar un estado de cristal continuo en el tiempo utilizando metamaterial fotónico. El sistema que utilizaron es una matriz bidimensional de metamoléculas plasmónicas (es decir, estructuras artificiales que facilitan la interacción con la luz a nanoescala) respaldadas por nanocables flexibles.

Los autores muestran que la iluminación continua y coherente de este metamaterial fotónico con luz que resuena con la posición plasmónica de las metapartículas provoca una transición de fase espontánea a un estado que posee las propiedades clave de un cristal de tiempo continuo. Este estado se caracteriza por oscilaciones continuas causadas por interacciones de muchos cuerpos entre metamoléculas.

«Descubrimos que el metamaterial fotónico, que es una matriz de nanocables decorados con nanopartículas plasmónicas, puede llevarse a un estado de oscilaciones coherentes de los nanocables mediante la interacción inducida por la luz entre las partículas», explicó Zelodev. «Estas oscilaciones aparecen espontáneamente cuando se alcanza un umbral de exposición a la luz. Tal comportamiento constituye un cristal de tiempo continuo, un nuevo estado de la materia».

El último estudio de este equipo de investigadores podría abrir nuevas vías de investigación sobre los cristales de tiempo y los estados dinámicos clásicos de muchos objetos en el sistema estrechamente acoplado. En el futuro, el sistema único logrado por Zheludev y sus colegas también podría allanar el camino hacia el desarrollo de nuevos dispositivos ópticos y fotónicos.

«Hemos demostrado un cristal de estado de capa temporal continuo, un nuevo estado de la materia en una plataforma clásica simple, que es un gran paso hacia las aplicaciones del estado de capa temporal continua en dispositivos fotónicos», agregó Zelodev. «La observación informada es solo el comienzo, y continuaremos explorando las propiedades fundamentales de los cristales continuos en el tiempo de nanomateriales fotomecánicos y sus aplicaciones».