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

Nos últimos meses, a ideia de “cristais do tempo” deixou de ser só papo de física teórica e virou assunto recorrente entre pesquisadores - afinal, seria possível existir um cristal cuja estrutura se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, oscilando continuamente sem gastar energia?

Agora isso ganhou contornos oficiais: cientistas descreveram em detalhes como produzir e medir esses cristais inusitados. E, seguindo esse “manual”, duas equipes independentes dizem ter criado cristais do tempo em laboratório - o que reforça a existência de uma fase totalmente nova da matéria.

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

Só que há muito tempo se prevê que o Universo abriga vários tipos estranhos de matéria fora do equilíbrio, que mal começamos a explorar - e os cristais do tempo estão nessa lista. Agora, sabemos que eles são reais.

Ter em mãos um primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode abrir caminho para avanços no entendimento do mundo ao nosso redor - e também para tecnologias novas, como computação quântica.

“Isso 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 o conceito de cristais do tempo está circulando há alguns anos.

Previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, ganhador do Nobel, cristais do tempo seriam estruturas que parecem ter movimento mesmo no seu estado de menor energia, conhecido como estado fundamental (ground state).

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

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

Cristais comuns têm uma estrutura atômica que se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. Só que, como um rubi ou um diamante, eles ficam imóveis 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 continuam oscilando mesmo no estado fundamental.

Pense numa gelatina: você dá um toque e ela balança repetidas vezes. Em cristais do tempo, acontece algo parecido - mas com uma diferença crucial: o movimento ocorre sem consumo de energia.

Um cristal do tempo é como uma gelatina oscilando o tempo todo no seu estado natural (o estado fundamental), e é isso que o coloca numa fase completamente nova da matéria - matéria fora do equilíbrio. Ele simplesmente não consegue “parar quieto”.

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

Yao e sua equipe elaboraram um “projeto” detalhado que descreve exatamente como criar e medir as propriedades de um cristal do tempo, e ainda prevê quais devem ser as fases ao redor desses cristais - 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 ficou só na teoria. Com base nesse projeto, duas equipes independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções e criaram seus próprios cristais do tempo.

Esses dois avanços foram anunciados no fim do ano passado no repositório de preprints arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos para publicação em periódicos com revisão por pares. Yao é coautor em ambos os artigos.

Enquanto os trabalhos não são publicados, é importante manter um certo ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o fato de dois grupos diferentes terem usado o mesmo “projeto” para criar 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 “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. Para isso, os pesquisadores os atingiam alternadamente com dois lasers: um criava um campo magnético, e o segundo invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, o conjunto passou a se estabilizar em um padrão repetitivo e constante de inversão de spins - o que caracteriza um cristal.

Até aí, tudo bem. Mas, para virar um cristal do tempo, o sistema precisava quebrar a simetria temporal. E, ao observar a “conga” de átomos de itérbio, os cientistas perceberam algo estranho.

Os dois lasers, que davam “empurrões” periódicos nos átomos de itérbio, faziam o sistema repetir um padrão com o dobro do período desses empurrões - algo que não deveria acontecer em um sistema comum.

“Não seria super esquisito se você sacudisse a gelatina e descobrisse que, de alguma forma, ela 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 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 então mudaria de fase - como um cubo de gelo derretendo.

Norman Yao, UC Berkeley

O cristal do tempo de Harvard foi diferente. A equipe montou o sistema usando centros de vacância de nitrogênio em diamantes, bem densamente empacotados - mas chegando ao mesmo resultado.

“Resultados tão semelhantes em dois sistemas tão radicalmente diferentes 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 Indiana University, 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 (31 de janeiro de 2017): anteriormente, comparamos a oscilação constante dos cristais do tempo com movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é preciso. Agora corrigimos essa explicação.