Cientistas confirmaram uma nova fase da matéria: cristais de tempo.

Durante meses, acumulou-se a especulação de que os investigadores poderiam finalmente ter conseguido criar cristais do tempo - cristais invulgares cuja organização atómica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo uma oscilação contínua sem necessidade de fornecimento de energia.

Agora deixou de ser apenas rumor: uma equipa descreveu, de forma pormenorizada, como produzir e como medir estas estruturas peculiares. Além disso, duas equipas independentes afirmam ter fabricado cristais do tempo em laboratório seguindo esse mesmo guião, o que reforça a ideia de que estamos perante uma fase da matéria totalmente nova.

Porque é que os cristais do tempo mudam as regras da física

À primeira vista, a descoberta pode parecer abstracta, mas aponta para uma viragem importante na física da matéria condensada. Durante décadas, a investigação centrou-se sobretudo em materiais definidos como estando em equilíbrio, como metais e isoladores.

Há muito que se prevê, porém, que o Universo alberga muitos outros tipos de matéria estranhos e menos explorados que não estão em equilíbrio - e os cristais do tempo eram um desses candidatos. O ponto decisivo é que, com estes resultados, passamos a ter um dos primeiros exemplos concretos de matéria de não-equilíbrio observável e controlável.

Isso pode abrir caminho a avanços tanto na compreensão do mundo físico como no desenvolvimento de novas tecnologias, incluindo computação quântica.

“Isto é uma nova fase da matéria, ponto final; e também é fascinante porque é um dos primeiros exemplos de matéria de não-equilíbrio”, afirmou o investigador principal Norman Yao, da Universidade da Califórnia, Berkeley.
“Nos últimos cinquenta anos, explorámos matéria em equilíbrio, como metais e isoladores. Só agora estamos a começar a explorar uma paisagem totalmente nova de matéria de não-equilíbrio.”

Cristais do tempo: da previsão teórica ao laboratório

Convém recuar um pouco, porque a noção de cristais do tempo circula há alguns anos. A ideia foi proposta em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek (distinguido com um Prémio Nobel): estruturas que parecem exibir movimento mesmo no seu nível de energia mais baixo, o chamado estado fundamental.

Em condições habituais, quando um material se encontra no estado fundamental (associado à energia mínima do sistema), esperar-se-ia que o movimento macroscópico fosse, em teoria, impossível - porque mexer implicaria gastar energia. Wilczek sugeriu que, no caso dos cristais do tempo, essa intuição poderia falhar.

Um cristal normal tem uma estrutura atómica que se repete no espaço - como a rede de carbono de um diamante. E, tal como um rubi ou um diamante, mantém-se imóvel porque está em equilíbrio no seu estado fundamental.

Já um cristal do tempo apresenta uma estrutura que se repete no tempo, para além de se organizar no espaço. O sistema continua a oscilar no estado fundamental, o que o coloca fora do comportamento típico dos materiais em equilíbrio.

Uma analogia útil é a gelatina: quando se dá um toque, ela oscila repetidamente. Nos cristais do tempo ocorre algo semelhante, com uma diferença crucial: a oscilação faz parte do comportamento natural do sistema no seu estado fundamental, sem ser mantida por um “combustível” contínuo de energia.

Em termos simples, um cristal do tempo assemelha-se a uma “gelatina” que oscila de forma estável no seu estado natural - e é precisamente esta incapacidade de “ficar quieto” que o torna um exemplo de matéria de não-equilíbrio.

O “plano” de Norman Yao para criar e medir cristais do tempo

Prever a existência de cristais do tempo é uma coisa; construí-los é outra. É aqui que entra o novo estudo: Yao e a sua equipa apresentaram um plano detalhado que explica exactamente como fabricar um cristal do tempo e como medir as suas propriedades. O trabalho também prevê quais devem ser as várias fases em torno do cristal do tempo - como se fosse um mapa análogo às fases sólida, líquida e gasosa, mas aplicado a esta nova fase da matéria.

O artigo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física (título traduzido) e é descrito por Yao como “a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

O que significa, na prática, “quebrar a simetria temporal” num cristal do tempo

Um ponto central é a quebra de simetria temporal: o sistema é sujeito a um estímulo periódico, mas a resposta estabiliza num padrão que não coincide trivialmente com esse ritmo. Em vez de “seguir” a cadência imposta, o sistema entra num comportamento repetitivo próprio, estável e mensurável, que caracteriza o cristal.

Este tipo de dinâmica é particularmente interessante por ocorrer em matéria de não-equilíbrio: não se trata apenas de observar oscilações, mas sim de identificar um regime em que o padrão temporal se torna uma propriedade robusta do estado do sistema.

Duas equipas independentes afirmam ter criado cristais do tempo

Não se trata apenas de especulação. Com base no plano de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra da Universidade de Harvard - relataram que seguiram as instruções e obtiveram os seus próprios cristais do tempo.

Ambos os resultados foram anunciados no final do ano anterior no repositório de pré-publicações arXiv.org (em dois manuscritos distintos) e foram submetidos para publicação em revistas com revisão por pares. Yao surge como coautor em ambos os artigos.

Enquanto os trabalhos não forem formalmente publicados, é prudente manter algum cepticismo quanto às alegações. Ainda assim, é um sinal encorajador que duas equipas diferentes tenham aplicado o mesmo “plano” para produzir cristais do tempo a partir de sistemas muito distintos.

O cristal do tempo da Universidade de Maryland: iões de itérbio em “linha de conga”

A equipa da Universidade de Maryland criou o seu cristal do tempo a partir de uma “linha de conga” com 10 iões de itérbio, cujos spins electrónicos estavam emaranhados.

Legenda/Crédito: Chris Monroe, Universidade de Maryland

O passo essencial para transformar esta configuração num cristal do tempo foi manter os iões fora de equilíbrio. Para isso, os investigadores alternaram a acção de dois lasers:
- um dos lasers gerava um campo magnético;
- o outro laser invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, o conjunto evoluiu para um padrão estável e repetitivo de inversões de spin - um tipo de repetição que define o comportamento cristalino.

Até aqui, isso poderia parecer apenas um padrão regular. Para se tornar um cristal do tempo, o sistema precisava de evidenciar a tal quebra de simetria temporal. E foi precisamente aí que surgiu o comportamento inesperado.

Os dois lasers aplicavam “empurrões” periódicos aos átomos de itérbio, mas o sistema passou a exibir uma repetição com um período duas vezes maior do que o período desses empurrões - algo que não deveria ocorrer num sistema normal.

“Não seria extremamente estranho se abanasse uma gelatina e descobrisse que, de algum modo, ela responde com um período diferente?”, comentou Yao.
“Mas essa é a essência do cristal do tempo. Existe um motor periódico com um período ‘T’, mas o sistema sincroniza-se de forma a que se observe uma oscilação com um período maior do que ‘T’.”

Sob diferentes campos magnéticos e com sequências distintas de pulsos laser, o cristal do tempo podia mudar de “fase”, de modo semelhante a um cubo de gelo a derreter.

Legenda/Crédito: Norman Yao, Universidade da Califórnia, Berkeley

O cristal do tempo de Harvard: centros de vacância de azoto em diamantes

O resultado da Universidade de Harvard foi obtido por um caminho diferente: os investigadores usaram centros de vacância de azoto muito densamente distribuídos em diamantes, chegando, no entanto, ao mesmo tipo de comportamento característico de um cristal do tempo.

Phil Richerme, da Universidade de Indiana (que não participou no estudo), sublinhou num texto de perspectiva que acompanhava o artigo que o paralelismo é significativo:

“Resultados tão semelhantes, obtidos em dois sistemas tão diferentes, mostram que os cristais do tempo são uma fase da matéria ampla e nova, e não apenas uma curiosidade limitada a sistemas pequenos ou muito específicos.”
“A observação do cristal do tempo discreto… confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em praticamente todos os domínios naturais e abre caminho a várias novas linhas de investigação.”

Porque isto pode interessar à tecnologia (incluindo computação quântica)

Uma das razões para o entusiasmo é que a matéria de não-equilíbrio pode oferecer novas formas de proteger e manipular informação quântica. Se certas oscilações forem suficientemente estáveis e controláveis, poderão inspirar estratégias para computação quântica, memória quântica ou protocolos de controlo mais robustos em sistemas sujeitos a ruído.

Além disso, a capacidade de “mapear fases” em torno dos cristais do tempo - como se fez com o plano de Yao - sugere que pode existir um vocabulário experimental comparável ao das transições de fase clássicas (por exemplo, solidificação e fusão), mas aplicado a regimes temporais e dinâmicos.

Referências e ligações (títulos traduzidos)

O “plano” de Yao foi publicado na revista Cartas de Revisão Física (título traduzido). Os dois artigos com os resultados experimentais foram disponibilizados como pré-publicações no arXiv.org: um relativo ao cristal do tempo de Harvard e outro ao da Universidade de Maryland.

Actualização (31 de Janeiro de 2017)

Numa versão anterior, comparámos a oscilação constante dos cristais do tempo com um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é rigoroso. Esta explicação foi agora corrigida.