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

Por alguns meses, a ideia parecia mais ficção científica do que física: será que alguém finalmente tinha conseguido criar os chamados cristais do tempo - cristais esquisitos cuja estrutura atômica não se repete só no espaço, mas também no tempo, mantendo uma oscilação constante sem “gastar energia”?

Agora a conversa saiu do campo da especulação. Pesquisadores acabam de detalhar como fabricar e medir esses cristais incomuns. E, seguindo esse “manual”, duas equipes independentes afirmam ter produzido cristais do tempo em laboratório - o que confirma a existência de uma fase totalmente nova da matéria.

A descoberta pode soar bem abstrata, mas abre uma nova etapa na física. Por décadas, a maior parte dos estudos se concentrou em materiais definidos como estando “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Só que há tempos se prevê que existam 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 finalmente termos um exemplo concreto de matéria fora do equilíbrio pode levar a avanços na forma como entendemos o mundo ao nosso redor, além de impulsionar 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 principal 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 dar um passo atrás, porque a ideia de cristais do tempo já circula há alguns anos.

Previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico e vencedor do Nobel Frank Wilczek, os cristais do tempo seriam estruturas que aparentam ter movimento mesmo no seu estado de menor energia, chamado estado fundamental (ground state).

Em geral, quando um material está no estado fundamental - também conhecido como energia de ponto zero de um sistema - o movimento deveria ser, em teoria, impossível, já que isso exigiria gasto de energia.

Mas Wilczek previu que, no caso dos cristais do tempo, isso poderia não valer.

Cristais “normais” têm uma estrutura atômica que se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. E, assim como um rubi ou um diamante, eles ficam imóveis porque estão em equilíbrio no estado fundamental.

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

Pense numa gelatina: você dá um toque e ela treme repetidamente. Algo parecido aconteceria nos cristais do tempo - só que, aqui, a diferença crucial é que o movimento ocorre sem energia.

Um cristal do tempo seria como uma gelatina que oscila o tempo todo no seu estado natural, o estado fundamental - e é justamente isso que o caracteriza como uma fase inteiramente nova da matéria: matéria fora do equilíbrio. Ele simplesmente não consegue ficar 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 elaboraram agora um “projeto” detalhado que descreve exatamente como criar e medir as propriedades de um cristal do tempo, além de prever quais fases diferentes devem existir ao redor deles - ou seja, eles mapearam um equivalente às fases sólido, líquido e gasoso 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 é só teoria. A partir do projeto de Yao, duas equipes independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções para criar 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 para publicação em periódicos com revisão por pares. Yao é coautor de ambos os artigos.

Enquanto aguardamos a publicação formal, é preciso manter ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o fato de duas equipes diferentes terem usado o mesmo “manual” para produzir cristais do tempo em sistemas muito distintos é um sinal animador.

Os cristais do tempo da Universidade de Maryland foram criados com uma espécie de “conga line” de 10 íons de itérbio, todos com spins de elétrons emaranhados.

Chris Monroe, University of Maryland

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

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, o sistema se acomodou em um padrão estável e repetitivo de inversão de spin que define 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 “fila” de átomos de itérbio, os pesquisadores perceberam que algo estranho estava acontecendo.

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

“Não seria super esquisito se você chacoalhasse a gelatina e descobrisse que ela respondeu com 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 e você observa o sistema oscilando com um período maior do que ‘T’.”

Sob diferentes campos magnéticos e diferentes 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 empacotados em diamantes, mas chegaram ao mesmo resultado.

“Resultados tão semelhantes obtidos em dois sistemas extremamente distintos reforçam 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 projeto 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 de 31 de janeiro de 2017: Antes, comparamos a oscilação constante dos cristais do tempo a movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é preciso. Já corrigimos essa explicação.