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

Se você acompanha as notícias de física, talvez já tenha esbarrado nessa ideia meio contraintuitiva: os cientistas estariam prestes a “fabricar” cristais do tempo - estruturas exóticas cuja organização atômica se repete não só no espaço, mas também no tempo, entrando em oscilação contínua sem gastar energia.

Agora não é mais só conversa: pesquisadores acabaram de relatar, com detalhes, como produzir e medir esses cristais estranhos. E duas equipes independentes afirmam que de fato criaram cristais do tempo em laboratório seguindo esse “manual”, o que reforça a existência de uma fase totalmente nova da matéria.

A descoberta pode soar bem abstrata, mas aponta para uma virada importante na física: por décadas, grande parte do que estudamos foi matéria definida como estando “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Só que há muito tempo se prevê que existam, no Universo, vários tipos bem mais esquisitos de matéria fora do equilíbrio - e a gente mal começou a investigá-los, incluindo os cristais do tempo. E agora sabemos que eles são reais.

Ter em mãos o primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode destravar avanços no nosso entendimento do mundo e também abrir caminho para novas 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 líder Norman Yao, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

"Nos últimos 50 anos, exploramos matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos começando a explorar um panorama totalmente novo de matéria fora do equilíbrio."

Vale recuar um pouco, porque a ideia de cristais do tempo já circula há alguns anos.

Previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Nobel, os cristais do tempo são estruturas que parecem ter movimento mesmo no estado de menor energia, conhecido como 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 teoria, impossível, porque isso 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. E, como um rubi ou um diamante, eles ficam parados porque estão em equilíbrio no estado fundamental.

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

Pense numa gelatina: você dá um toque e ela fica tremendo repetidamente. Nos cristais do tempo acontece algo parecido, com a grande diferença de que o movimento ocorre sem consumo de energia.

Um cristal do tempo é como uma gelatina que oscila o tempo todo de forma “natural”, no estado fundamental - e é isso que o coloca numa nova fase da matéria, a matéria fora do equilíbrio. Ele simplesmente não consegue ficar parado.

Só que uma coisa é prever que cristais do tempo existam; outra, bem diferente, é produzir um. É aí que entra o novo estudo.

Yao e sua equipe elaboraram agora um plano detalhado que descreve exatamente como criar e medir as propriedades de um cristal do tempo, além de prever quais seriam as fases ao redor desses cristais - ou seja, eles mapearam algo equivalente às fases sólido, líquido e gasoso, só que para essa nova fase da matéria.

Publicado na Physical Review Letters, Yao chama o artigo de "a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental".

E não ficou apenas no campo das suposições. Com base no plano de Yao, duas equipes independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções para criar seus próprios cristais do tempo.

Esses dois 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 esperamos a publicação dos trabalhos, é bom manter ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o fato de duas equipes diferentes terem usado o mesmo plano para produzir cristais do tempo em sistemas muito distintos é um sinal animador.

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

Chris Monroe, Universidade de Maryland

O truque para transformar esse arranjo num cristal do tempo foi manter os íons fora do equilíbrio. Para isso, os pesquisadores alternavam dois lasers: um gerava um campo magnético e o outro invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, o conjunto se acomodou num padrão estável e repetitivo de inversão de spins - o que caracteriza um cristal.

Até aí, tudo relativamente normal. Mas, para virar um cristal do tempo, o sistema precisava quebrar a simetria temporal. E, ao observar a “conga line” de átomos de itérbio, os pesquisadores perceberam algo incomum.

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

"Não seria super estranho se você sacudisse a gelatina e percebesse que ela, de alguma forma, responde com um período diferente?", disse Yao.

"Mas essa é a essência do cristal do tempo. Você tem um acionamento periódico com período 'T', mas o sistema de algum jeito se sincroniza e você observa o sistema oscilando com um período maior do que 'T'."

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

Norman Yao, UC Berkeley

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

"Resultados tão semelhantes obtidos em dois sistemas tão drasticamente diferentes mostram que cristais do tempo são uma nova fase ampla 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 acompanhou 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: antes, havíamos comparado a oscilação constante dos cristais do tempo com movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é preciso. Corrigimos agora essa explicação.