Cristais do tempo: cientistas descrevem a criação de uma nova fase da matéria

Há meses, circula a ideia de que cientistas talvez tenham finalmente conseguido criar cristais do tempo - cristais estranhos cuja estrutura atómica se repete não só no espaço, mas também no tempo, mantendo-os numa oscilação contínua sem gasto de energia.

Agora deixou de ser apenas rumor: investigadores acabaram de relatar, com pormenores, como fabricar e medir esses cristais incomuns. Além disso, duas equipas independentes afirmam ter produzido cristais do tempo em laboratório seguindo esse mesmo “plano”, o que reforça a existência de uma fase de matéria totalmente nova.

Pode soar abstrato, mas o resultado marca uma mudança importante na física. Durante décadas, o foco esteve em materiais definidos por estarem “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Só que há muito tempo se prevê que o Universo abrigue muitos outros tipos de matéria fora do equilíbrio - e que ainda mal começámos a explorar - incluindo os cristais do tempo. Com os novos trabalhos, a proposta deixa de ser apenas teórica.

O facto de já existir um primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode abrir caminho para avanços na forma como entendemos o mundo e também para novas tecnologias, como a computação quântica.

"This is a new phase of matter, period, but it is also really cool because it is one of the first examples of non-equilibrium matter," disse o investigador principal Norman Yao, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

"For the last half-century, we have been exploring equilibrium matter, like metals and insulators. We are just now starting to explore a whole new landscape of non-equilibrium matter."

Antes de continuar, vale recuar um pouco, porque a noção de cristais do tempo já vem sendo discutida há alguns anos.

O que são cristais do tempo

Propostos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, laureado com o Nobel, os cristais do tempo seriam estruturas que aparentam ter movimento até mesmo no seu estado de menor energia - o chamado estado fundamental.

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

Wilczek, porém, sugeriu que os cristais do tempo poderiam fugir a essa regra.

Num cristal comum, a organização dos átomos se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. Ainda assim, tal como um rubi ou um diamante, ele permanece imóvel porque está em equilíbrio no seu estado fundamental.

Já nos cristais do tempo, a repetição ocorre no tempo, e não apenas no espaço. E, mesmo assim, o sistema continua a oscilar no estado fundamental.

Pense numa gelatina: ao levar um toque, ela treme repetidas vezes. Algo análogo aconteceria nos cristais do tempo - com a diferença decisiva de que, neste caso, o movimento acontece sem que se forneça energia.

Ou seja: um cristal do tempo seria como uma “gelatina” que oscila continuamente no seu estado natural, o estado fundamental. É isso que o coloca noutra classe de matéria - a matéria fora do equilíbrio - porque, por definição, ela não consegue simplesmente ficar parada.

O “plano” de Yao para criar e medir a nova fase de matéria

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

Yao e colegas elaboraram um plano detalhado que explica como construir um cristal do tempo e como medir as suas propriedades. O trabalho também antecipa quais fases devem existir ao redor dos cristais do tempo - em termos práticos, é como mapear equivalentes às fases sólido, líquido e gasoso para essa nova fase de matéria.

O estudo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física, e Yao descreve o artigo como "the bridge between the theoretical idea and the experimental implementation".

E não se trata só de especulação. A partir do plano de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - relatam ter seguido as instruções para produzir os seus próprios cristais do tempo.

Ambos os resultados foram anunciados no fim do ano passado no servidor de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos a revistas com revisão por pares. Yao aparece como coautor nos dois artigos.

Enquanto os trabalhos não saem oficialmente publicados, é prudente manter ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o facto de duas equipas diferentes terem usado o mesmo plano para obter cristais do tempo a partir de sistemas muito distintos é um sinal encorajador.

Como Maryland e Harvard montaram cristais do tempo

O cristal do tempo da Universidade de Maryland foi obtido a partir de uma “linha de conga” de 10 íons de itérbio, todos com os spins eletrónicos entrelaçados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

O passo crucial para transformar essa montagem num cristal do tempo foi manter os íons fora do equilíbrio. Para isso, os investigadores alternaram a aplicação de dois lasers: um deles gerava um campo magnético, e o segundo invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins estavam entrelaçados, o conjunto evoluiu para um padrão estável e repetitivo de inversões de spin - a repetição que caracteriza um cristal.

Até aí, tudo parecia relativamente convencional. Para se tornar um cristal do tempo, porém, o sistema precisava quebrar a simetria temporal. Ao observar a “linha de conga” de átomos de itérbio, a equipa percebeu um comportamento fora do comum.

Os dois lasers, que periodicamente “cutucavam” os átomos, faziam o sistema repetir-se com um período duas vezes maior do que o período dessas perturbações - algo que não deveria acontecer num sistema normal.

"Wouldn't it be super weird if you jiggled the Jell-O and found that somehow it responded at a different period?" disse Yao.

"But that is the essence of the time crystal. You have some periodic driver that has a period 'T', but the system somehow synchronises so that you observe the system oscillating with a period that is larger than 'T'."

Ao variar o campo magnético e o padrão de pulsos do laser, o cristal do tempo mudaria então de fase - de modo semelhante ao derretimento de um cubo de gelo.

Norman Yao, Universidade da Califórnia em Berkeley (UC Berkeley)

O cristal do tempo de Harvard, por sua vez, foi construído de outra forma. Nesse caso, os cientistas usaram centros de vacância de nitrogênio densamente empacotados em diamantes - chegando, no entanto, ao mesmo tipo de resultado.

"Such similar results achieved in two wildly disparate systems underscore that time crystals are a broad new phase of matter, not simply a curiosity relegated to small or narrowly specific systems," explicou Phil Richerme, da Universidade de Indiana, que não participou do estudo, num texto de perspetiva que acompanhou o artigo.

"Observation of the discrete time crystal… confirms that symmetry breaking can occur in essentially all natural realms, and clears the way to several new avenues of research."

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

Atualização em 31 de janeiro de 2017: antes, comparamos a oscilação constante dos cristais do tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é exato. Essa explicação já foi corrigida.