Cientistas descrevem a criação de uma nova fase da matéria: cristais do tempo

Há meses circulavam especulações de que pesquisadores talvez tivessem finalmente criado cristais do tempo - cristais incomuns cuja estrutura atômica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo-os em oscilação constante sem gasto de energia.

Agora isso se tornou oficial: pesquisadores acabam de descrever em detalhes como fabricar e medir esses cristais bizarros. E duas equipes independentes de cientistas afirmam ter criado cristais do tempo em laboratório com base nesse esquema, confirmando a existência de uma fase inteiramente nova da matéria.

A descoberta pode soar bastante abstrata, mas ela inaugura uma nova era para a física - por décadas, estudamos matérias definidas como estando “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Mas já se previa que existem muitos outros tipos estranhos de matéria no Universo que não estão em equilíbrio e que mal começamos a investigar, incluindo os cristais do tempo. E agora sabemos que eles são reais.

O fato de termos agora o primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode abrir caminho para avanços na nossa compreensão do mundo ao redor, além de novas tecnologias, como a computação quântica.

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

“No último meio século, temos explorado a matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos começando a explorar uma paisagem totalmente nova de matéria fora do equilíbrio.”

Vamos voltar um pouco, porque a ideia de cristais do tempo já vinha circulando havia alguns anos.

Propostos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico vencedor do Nobel Frank Wilczek, os cristais do tempo são estruturas que parecem apresentar movimento mesmo em seu estado de energia mais baixa, conhecido como estado fundamental.

Normalmente, quando um material está no estado fundamental - também chamado de energia de ponto zero de um sistema -, isso significa que o movimento deveria ser teoricamente impossível, porque exigiria gasto de energia.

Mas Wilczek previu que, no caso dos cristais do tempo, isso talvez não fosse verdade.

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 porque estão em equilíbrio em seu estado fundamental.

Já os cristais do tempo têm uma estrutura que se repete no tempo, e não apenas no espaço. E continuam oscilando mesmo no estado fundamental.

Imagine algo como gelatina - quando você a toca, ela fica balançando repetidamente. O mesmo acontece nos cristais do tempo, mas a grande diferença aqui é que o movimento ocorre sem energia.

Um cristal do tempo é como uma gelatina em oscilação contínua em seu estado natural, o estado fundamental, e é isso que faz dele uma fase totalmente nova da matéria - matéria fora do equilíbrio. Ele é incapaz de permanecer parado.

Mas uma coisa é prever que esses cristais existam; outra, bem diferente, é produzi-los, e é aí que entra o novo estudo.

Yao e sua equipe desenvolveram agora um esquema detalhado que descreve exatamente como criar e medir as propriedades de um cristal do tempo, além de prever quais devem ser as diferentes fases em torno desses cristais - o que significa que eles mapearam algo equivalente às fases sólida, líquida e gasosa para essa nova fase da matéria.

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

E não se trata apenas de especulação. Com base no esquema de Yao, duas equipes independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções para criar seus próprios cristais do tempo.

Ambos os avanços foram anunciados no fim do ano passado no site de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos para publicação em periódicos com revisão por pares. Yao é coautor dos dois artigos.

Enquanto aguardamos a publicação dos trabalhos, é preciso manter certo ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o fato de duas equipes separadas terem usado o mesmo esquema para criar cristais do tempo a partir de sistemas muito diferentes é algo promissor.

Os cristais do tempo da Universidade de Maryland foram produzidos a partir de uma fila de 10 íons de itérbio, todos com spins eletrônicos emaranhados.

Chris Monroe, University of Maryland

A chave para transformar esse arranjo em um cristal do tempo foi manter os íons fora do equilíbrio e, para isso, os pesquisadores os atingiam alternadamente com dois lasers. Um dos lasers criava um campo magnético, e o segundo invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, os átomos se organizaram em um padrão estável e repetitivo de inversão de spin que define um cristal.

Até aí, isso era relativamente normal, mas, para se tornar um cristal do tempo, o sistema precisava quebrar a simetria temporal. E, ao observar a “fila” de átomos de itérbio, os pesquisadores perceberam que ela estava fazendo algo estranho.

Os dois lasers que periodicamente perturbavam os átomos de itérbio estavam produzindo no sistema uma repetição com o dobro do período desses impulsos, algo que não poderia acontecer em um sistema comum.

“Não seria super estranho se você balançasse a gelatina e descobrisse que, de alguma forma, ela responde em um período diferente?”, disse Yao.

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

Sob diferentes campos magnéticos e diferentes pulsos de laser, o cristal do tempo então mudaria de fase, como um cubo de gelo derretendo.

Norman Yao, UC Berkeley

O cristal do tempo de Harvard foi diferente. Os pesquisadores o montaram usando centros de vacância de nitrogênio densamente agrupados em diamantes, mas chegaram ao mesmo resultado.

“Resultados tão semelhantes obtidos em dois sistemas extremamente distintos reforçam que os cristais do tempo são uma ampla nova fase da matéria, 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 em essencialmente todos os domínios naturais, e abre caminho para várias novas linhas de pesquisa.”

O esquema 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 em 31 de janeiro de 2017: anteriormente, havíamos comparado a oscilação constante dos cristais do tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não era preciso. Essa explicação já foi corrigida.