Cientistas detalham como criar cristais do tempo e confirmam nova fase da matéria

Há meses circulavam rumores de que pesquisadores poderiam ter finalmente produzido cristais do tempo - cristais estranhos cuja estrutura atômica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo-os em oscilação constante sem gasto de energia.

Agora isso virou oficial: cientistas relataram em detalhe como fabricar e como medir essas estruturas incomuns. Além disso, duas equipes independentes afirmam ter criado cristais do tempo em laboratório seguindo esse roteiro, o que sustenta a existência de uma fase de matéria totalmente nova.

À primeira vista, a descoberta parece abstrata, mas marca uma virada importante na física. Por décadas, o foco esteve em materiais definidos como estando “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Só que há muito tempo se prevê que o Universo abrigue diversos tipos de matéria fora do equilíbrio - classes estranhas que mal começamos a investigar - e os cristais do tempo estavam nessa lista. Agora sabemos que eles podem ser reais.

Ter em mãos um exemplo inicial de matéria fora do equilíbrio pode destravar avanços na nossa compreensão do mundo e também abrir caminho para tecnologias como a computação quântica.

“Esta é uma nova fase da matéria, ponto final, mas também é muito legal porque é um dos primeiros exemplos de matéria fora do equilíbrio”, disse o pesquisador principal Norman Yao, da Universidade da Califórnia, Berkeley.

“Nos últimos cinquenta anos, temos explorado a matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos começando a explorar toda uma nova paisagem de matéria fora do equilíbrio.”

Antes de seguir, vale recuar um pouco, porque a noção de cristais do tempo vem circulando há alguns anos.

O que são cristais do tempo

Propostos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Nobel, os cristais do tempo seriam estruturas que aparentam exibir movimento mesmo em seu estado de menor energia - o estado fundamental.

Em geral, quando um material está no estado fundamental (também chamado de energia de ponto zero de um sistema), o movimento deveria ser, em tese, impossível, porque se mover implicaria gastar energia.

Wilczek, porém, sugeriu que isso poderia não se aplicar aos cristais do tempo.

Cristais comuns têm uma estrutura atômica que se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. Mas, assim como um rubi ou um diamante, eles permanecem imóveis por estarem em equilíbrio no estado fundamental.

Já os cristais do tempo exibiriam um padrão que se repete no tempo, e não apenas no espaço. E, ainda no estado fundamental, continuariam oscilando.

Pense em gelatina: quando você dá um toque, ela treme repetidas vezes. Em cristais do tempo, a analogia é parecida - com uma diferença crucial: o movimento ocorreria sem necessidade de energia.

Em outras palavras, um cristal do tempo se comportaria como uma gelatina que oscila continuamente em seu estado natural, o estado fundamental. É isso que o coloca como uma nova fase de matéria: matéria fora do equilíbrio, incapaz de simplesmente “parar”.

Ainda assim, prever a existência de cristais do tempo é uma coisa; produzi-los de fato é outra - e é aí que entra o novo estudo.

O “plano” de Norman Yao (cristais do tempo)

Yao e sua equipe elaboraram um guia detalhado que descreve exatamente como criar um cristal do tempo e como medir suas propriedades. O trabalho também antecipa quais seriam as diversas fases ao redor dos cristais do tempo - como se eles tivessem equivalentes às fases sólido, líquido e gasoso, só que para essa nova fase de matéria.

Publicado na Physical Review Letters, Yao descreve o artigo como “a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

E não ficou apenas no campo das hipóteses. Usando o plano de Yao, dois grupos independentes - um da Universidade de Maryland e outro de Harvard - afirmam ter seguido as instruções e produzido seus próprios cristais do tempo.

Os dois resultados foram anunciados no fim do ano passado no site de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos a periódicos com revisão por pares. Yao assina como coautor em ambos.

Enquanto os artigos não são publicados, é prudente manter ceticismo quanto às duas alegações. Ainda assim, é um sinal encorajador que duas equipes distintas tenham aplicado o mesmo roteiro para obter cristais do tempo a partir de sistemas muito diferentes.

Duas demonstrações em laboratório: Maryland e Harvard

No caso da Universidade de Maryland, os cristais do tempo teriam sido obtidos com uma espécie de “linha de conga” de 10 íons de itérbio, todos com spins eletrônicos emaranhados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

Para transformar esse arranjo em um cristal do tempo, o ponto central foi manter os íons fora do equilíbrio. Para isso, os pesquisadores os atingiam alternadamente com dois lasers: um deles gerava um campo magnético, e o outro invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins estavam emaranhados, o conjunto de átomos se acomodou em um padrão estável e repetitivo de inversões de spin - o tipo de repetição que caracteriza um cristal.

Isso, por si só, seria “normal”. Mas, para que o sistema fosse um cristal do tempo, ele precisaria quebrar a simetria temporal. Ao observar a “linha de conga” dos átomos de itérbio, os pesquisadores notaram algo incomum.

Os dois lasers que empurravam periodicamente os átomos de itérbio induziam uma repetição no sistema com o dobro do período desses empurrões - algo que não deveria acontecer em um sistema comum.

“Não seria super estranho se você sacudisse a gelatina e descobrisse que, de algum modo, ela respondeu em um período diferente?”, disse Yao.

“Mas essa é a essência do cristal do tempo. Você tem algum agente periódico que tem um período ‘T’, mas o sistema de alguma forma se sincroniza de modo que você observa o sistema oscilando com um período maior do que ‘T’.”

Ao variar campos magnéticos e pulsos de laser, o cristal do tempo então mudaria de fase, do mesmo jeito que um cubo de gelo derrete.

Norman Yao, UC Berkeley

O cristal do tempo de Harvard teria sido construído de outra forma. Ali, os pesquisadores usaram centros de vacância de nitrogênio densamente empacotados em diamantes - mas chegaram ao mesmo tipo de resultado.

“Resultados tão semelhantes obtidos em dois sistemas extremamente distintos ressaltam que cristais do tempo são uma nova fase de matéria ampla, e não apenas uma curiosidade restrita a sistemas pequenos ou muito específicos”, explicou Phil Richerme, da Universidade de Indiana, que não participou do estudo, em um texto de perspectiva que acompanha o artigo.

“A observação do cristal do tempo discreto… confirma que a quebra de simetria pode ocorrer essencialmente em todos os domínios naturais e abre caminho para várias novas linhas de pesquisa.”

O plano de Yao foi publicado na Physical Review Letters, e você pode ver o artigo do cristal do tempo de Harvard aqui, e o artigo da Universidade de Maryland aqui.

Atualização (31 de janeiro de 2017)

Anteriormente, comparamos a oscilação constante dos cristais do tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é preciso. Agora corrigimos essa explicação.