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

Durante meses, a ideia de uns “cristais de tempo” pareceu quase ficção científica: materiais com uma estrutura que se repete não só no espaço, mas também no tempo, oscilando de forma contínua sem gastar energia.

Agora isso deixou de ser apenas teoria. Investigadores descreveram em detalhe como construir e medir estes cristais bizarros, e duas equipas independentes afirmam tê-los criado em laboratório com base nesse plano, confirmando a existência de uma nova fase da matéria.

Pode soar muito abstrato, mas isto abre uma nova etapa na física. Durante décadas, estudámos sobretudo matéria em equilíbrio, como metais e isoladores.

No entanto, já se previa que existiriam muitos outros tipos estranhos de matéria no Universo que não estão em equilíbrio e que ainda mal começámos a explorar, incluindo os cristais de tempo. E agora sabemos que são reais.

O facto de termos, pela primeira vez, um exemplo de matéria fora do equilíbrio pode trazer avanços na forma como entendemos o mundo à nossa volta, além de abrir caminho a novas tecnologias, como a computação quântica.

“Esta é uma nova fase da matéria, ponto final, mas também é muito interessante porque é um dos primeiros exemplos de matéria fora do equilíbrio”, disse Norman Yao, investigador principal da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

“Durante os últimos 50 anos, temos vindo a explorar matéria em equilíbrio, como metais e isoladores. Agora estamos a começar a explorar uma paisagem completamente nova de matéria fora do equilíbrio.”

Vale a pena recuar um pouco, porque o conceito de cristais de tempo já anda por aí há alguns anos.

Propostos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor de um Nobel, os cristais de tempo são estruturas que parecem manter movimento mesmo no seu estado de energia mais baixo, conhecido como estado fundamental.

Normalmente, quando um material está no estado fundamental - também chamado energia do ponto zero de um sistema -, o movimento deveria ser impossível, em teoria, porque isso exigiria gastar energia.

Mas Wilczek previu que, nos cristais de tempo, isso podia não ser verdade.

Os cristais normais têm uma estrutura atómica que se repete no espaço - tal como a rede de carbono de um diamante. Mas, tal como um rubi ou um diamante, ficam imóveis porque estão em equilíbrio no seu estado fundamental.

Já os cristais de tempo têm uma estrutura que se repete no tempo, e não apenas no espaço. E continuam a oscilar no seu estado fundamental.

Imagine uma gelatina: quando lhe tocamos, ela abana várias vezes. O mesmo acontece nos cristais de tempo, com a grande diferença de que esse movimento ocorre sem qualquer aporte de energia.

Um cristal de tempo é como uma gelatina que oscila continuamente no seu estado natural, fundamental, e é isso que o torna uma nova fase da matéria - matéria fora do equilíbrio. Não consegue ficar quieta.

Mas uma coisa é prever que estes cristais existem; outra bem diferente é consegui-los criar, e é aí que entra o novo estudo.

Yao e a sua equipa desenvolveram agora um plano detalhado que descreve exatamente como fabricar e medir as propriedades de um cristal de tempo, além de prever as várias fases que os rodeiam - ou seja, mapearam o equivalente às fases sólida, líquida e gasosa para esta nova fase da matéria.

Publicado em Physical Review Letters, Yao descreve o artigo como “a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

E não se ficou pela teoria. Com base no plano de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções e criaram os seus próprios cristais de tempo.

Ambos os resultados foram anunciados no fim do ano passado no site de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos para publicação em revistas com revisão por pares. Yao é coautor de ambos os artigos.

Enquanto aguardamos a publicação formal, convém manter alguma cautela em relação às duas alegações. Ainda assim, o facto de duas equipas separadas terem usado o mesmo plano para criar cristais de tempo em sistemas muito diferentes é um sinal promissor.

Os cristais de tempo da Universidade de Maryland foram criados a partir de uma fila de 10 iões de itérbio, todos com spins eletrónicos emaranhados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

A chave para transformar este sistema num cristal de tempo foi mantê-lo fora do equilíbrio. Para isso, os investigadores atingiram alternadamente os iões com dois lasers. Um criou um campo magnético e o segundo virou parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam emaranhados, os átomos ajustaram-se a um padrão estável e repetitivo de inversão de spin, que é o que define um cristal.

Isso, por si só, ainda era normal. Mas, para se tornar um cristal de tempo, o sistema teve de quebrar a simetria temporal. E, ao observar a fila de iões de itérbio, os investigadores notaram algo estranho.

Os dois lasers, ao perturbarem os átomos de forma periódica, produziam uma repetição no sistema com o dobro do período dessas perturbações - algo que não pode acontecer num sistema normal.

“Não seria super estranho se agitássemos a gelatina e ela respondesse com um período diferente?”, disse Yao.

“Mas é isso que está no centro do cristal de tempo. Há um estímulo periódico com um período ‘T’, mas o sistema acaba por se sincronizar de forma a observarmos oscilações com um período maior do que ‘T’.”

Sob campos magnéticos diferentes e outras sequências de impulsos dos lasers, o cristal de tempo mudava então de fase, tal como um cubo de gelo a derreter.

Norman Yao, UC Berkeley

O cristal de tempo de Harvard foi diferente. Os investigadores montaram-no usando centros de vacância de azoto densamente empacotados em diamantes, mas obtiveram o mesmo resultado.

“Resultados tão semelhantes em dois sistemas radicalmente diferentes mostram que os cristais de tempo são uma nova fase ampla da matéria, e não apenas uma curiosidade limitada a sistemas pequenos ou muito específicos”, explicou Phil Richerme, da Universidade de Indiana, que não participou no estudo, num texto de perspetiva que acompanhou o artigo.

“A observação do cristal de 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.”

O plano de Yao foi publicado em Physical Review Letters, e pode ver o artigo sobre o cristal de tempo de Harvard aqui, e o da Universidade de Maryland aqui.

Atualização de 31 de janeiro de 2017: tínhamos comparado anteriormente a oscilação constante dos cristais de tempo com movimento perpétuo no estado fundamental, o que não está correto. Corrigimos agora essa explicação.