Cristais de tempo: pesquisadores confirmam uma nova fase da matéria

Há meses circulavam rumores de que investigadores talvez tivessem, finalmente, criado cristais de tempo - estruturas estranhas cuja organização atómica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo-as em oscilação contínua sem “gastar” energia.

Agora a coisa saiu do campo da especulação: cientistas acabam de descrever, com detalhes, como fabricar e como medir esse tipo de cristal incomum. Além disso, duas equipas independentes afirmam que já produziram cristais de tempo em laboratório seguindo esse mesmo “plano”, reforçando a ideia de que estamos perante uma fase de matéria totalmente nova.

Por que os cristais de tempo abrem uma nova frente na física

À primeira vista, a descoberta pode soar abstrata, mas sinaliza uma viragem importante na física. Durante décadas, o foco esteve em materiais definidos como estando “em equilíbrio” - como metais e isolantes.

O problema é que há muito se prevê que o Universo abrigue muitos outros tipos de matéria fora do equilíbrio, que mal começámos a explorar - e os cristais de tempo estavam nessa lista. Se forem reais (e tudo indica que são), passam a ser um dos primeiros exemplos concretos de matéria em não equilíbrio.

Isso pode destravar avanços no entendimento de como a natureza se comporta e também abrir espaço para aplicações tecnológicas, como a computação quântica.

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

“Nos últimos cinquenta anos, temos explorado matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos a começar a explorar uma paisagem totalmente nova de matéria em não equilíbrio.”

O que são cristais de tempo e o estado fundamental

Para entender por que isto é tão diferente, vale recuar um pouco: o conceito de cristais de tempo circula há alguns anos.

Eles foram propostos em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Prémio Nobel. A ideia é a de estruturas que parecem exibir movimento mesmo quando estão no nível de energia mais baixo possível, chamado de estado fundamental.

Em geral, quando um material está no estado fundamental - também associado à energia de ponto zero de um sistema - a intuição diz que o movimento deveria ser impossível, porque qualquer mudança exigiria gasto de energia.

Wilczek, porém, sugeriu que esse raciocínio poderia falhar no caso dos cristais de tempo.

Cristais “comuns” têm uma estrutura atómica que se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. Mas, como um rubi ou um diamante, permanecem imóveis porque, no estado fundamental, estão em equilíbrio.

Já os cristais de tempo seriam diferentes: a sua estrutura repete-se no tempo, e não apenas no espaço. Por isso, eles continuam a oscilar mesmo no estado fundamental.

Uma analogia útil é a de uma gelatina: ao tocar nela, ela treme repetidamente. Algo semelhante ocorreria num cristal de tempo - só que com uma diferença essencial: o “vai e vem” acontece sem que o sistema precise fornecer energia.

Um cristal de tempo seria, portanto, como uma gelatina que oscila sem parar no seu estado natural, o estado fundamental. É essa incapacidade de “ficar quieto” que o colocaria numa fase nova: matéria em não equilíbrio.

O “plano” de Norman Yao para cristais de tempo

Prever a existência de cristais de tempo é uma coisa; construí-los e caracterizá-los é outra - e é aí que entra o novo estudo.

Yao e os seus colegas elaboraram um plano detalhado que explica como produzir um cristal de tempo e como medir as suas propriedades. O trabalho também antecipa quais fases devem existir nas vizinhanças do cristal de tempo - como se os autores tivessem mapeado o equivalente, para essa nova fase, do que seriam as fases sólido, líquido e gasoso.

O artigo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física e, segundo Yao, funciona como “a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

E não ficou só na teoria. A partir desse plano, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - dizem ter seguido as instruções e criado os seus próprios cristais de tempo.

As duas novidades foram anunciadas no fim do ano passado no repositório de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidas a revistas científicas com revisão por pares. Yao aparece como coautor em ambos os trabalhos.

Enquanto os artigos não passam pelo processo de publicação, é razoável manter cautela sobre as duas afirmações. Ainda assim, o facto de grupos distintos terem usado o mesmo plano para obter cristais de tempo a partir de sistemas muito diferentes é um sinal encorajador.

Como Maryland e Harvard criaram cristais de tempo no laboratório

No caso da Universidade de Maryland, os cristais de tempo teriam sido obtidos com uma “fila” de 10 iões de itérbio, todos com spins eletrónicos emaranhados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

Para transformar esse arranjo num cristal de tempo, a peça-chave foi impedir que os iões entrassem em equilíbrio. Para isso, os investigadores alternaram a ação de dois lasers: um deles gerava um campo magnético e o outro invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, o conjunto estabilizou num padrão repetitivo e robusto de inversões de spin - o tipo de repetição que caracteriza um cristal.

Até aí, nada tão fora do esperado. O passo necessário para se tornar um cristal de tempo, porém, era quebrar a simetria temporal. Ao observar a “conga” dos átomos de itérbio, os investigadores perceberam algo estranho.

Os dois lasers, que davam “empurrões” periódicos nos átomos de itérbio, fizeram o sistema repetir o seu comportamento com um período duas vezes maior do que o período desses empurrões - algo que não deveria acontecer num sistema comum.

“Não seria extremamente estranho se você sacudisse a gelatina e descobrisse que, de alguma forma, ela respondeu com um período diferente?”, disse Yao.

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

Sob diferentes campos magnéticos e diferentes pulsos de laser, o cristal de tempo mudaria de fase, tal como um cubo de gelo a derreter.

Norman Yao, Universidade da Califórnia, Berkeley

O cristal de tempo de Harvard, por sua vez, teria sido feito de outra forma. Ali, os investigadores montaram o sistema com centros de vacância de nitrogénio densamente compactados em diamantes - chegando, porém, ao mesmo resultado.

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

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

O plano de Yao foi publicado na Cartas de Revisão Física, e é possível ver o artigo sobre o cristal de tempo de Harvard aqui, e o artigo da Universidade de Maryland aqui.

Atualização 31 de janeiro de 2017: anteriormente, tínhamos comparado a oscilação constante dos cristais de tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é preciso. Esta explicação foi corrigida.