Cientistas confirmaram que cristais de tempo são uma nova fase da matéria

Nos últimos meses, a ideia andava a ganhar força: será que os investigadores tinham finalmente conseguido criar cristais de tempo - estruturas estranhas cuja ordem atómica se repete não só no espaço, mas também no tempo, mantendo-se a oscilar de forma contínua sem gastar energia?

Agora já não é apenas uma hipótese. Os investigadores divulgaram em detalhe como fabricar e medir estes cristais bizarros, e duas equipas independentes dizem tê-los criado em laboratório com base neste esquema, confirmando a existência de uma fase da matéria completamente nova.

A descoberta pode parecer abstrata, mas abre caminho para uma nova etapa na física - durante décadas, temos estudado matéria definida por estar “em equilíbrio”, como metais e isoladores.

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

O facto de passarmos a ter o primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode trazer avanços na forma como entendemos o mundo à nossa volta, bem como 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 na Universidade da Califórnia, Berkeley.

“Durante os últimos 50 anos, temos explorado matéria em equilíbrio, como metais e isoladores. Só agora estamos a começar a explorar uma paisagem totalmente nova de matéria fora do equilíbrio.”

Convém recuar um pouco, porque a ideia dos cristais de tempo anda a circular há alguns anos.

Propostos pela primeira vez pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Prémio Nobel, em 2012, 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 de ponto zero de um sistema, isso significa que, teoricamente, o movimento deveria ser impossível, porque exigiria gasto de energia.

Mas Wilczek previu que, no caso dos cristais de tempo, isso talvez não fosse verdade.

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

Imagine gelatina: quando lhe tocamos, ela abana repetidamente. Nos cristais de tempo acontece algo semelhante, mas a diferença crucial é que esse movimento surge sem qualquer energia.

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

Mas prever que estes cristais existem é uma coisa; criá-los é outra bem diferente. É aqui que entra o novo estudo.

Yao e a sua equipa desenvolveram agora um esquema detalhado que descreve exatamente como produzir e medir as propriedades de um cristal de tempo, e até prever quais deverão ser as várias fases em torno dos cristais de tempo - o equivalente às fases sólido, líquido e gasoso 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 trata apenas de especulação. Com base no esquema 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 trabalhos foram anunciados no final 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 esperamos pela publicação, convém manter algum cepticismo em relação às duas reivindicações. Ainda assim, o facto de duas equipas separadas terem usado o mesmo esquema para criar cristais de tempo em sistemas muito diferentes é um sinal promissor.

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

Chris Monroe, Universidade de Maryland

A chave para transformar essa configuração num cristal de tempo foi mantê-la fora do equilíbrio. Para isso, os investigadores atingiram alternadamente os iões com dois lasers. Um laser criava um campo magnético e o segundo fazia inverter parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam entrelaçados, o sistema estabilizou num padrão repetitivo de inversão de spin, que define um cristal.

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

Os dois lasers que iam empurrando os átomos de itérbio de forma periódica estavam a produzir uma repetição no sistema com o dobro do período desses impulsos, algo que não poderia acontecer num sistema normal.

“Não seria super estranho se agitasse a gelatina e descobrisse que, de alguma forma, ela respondia com um período diferente?”, disse Yao.

“Mas essa é a essência do cristal de tempo. Tem-se um impulsionador periódico com período ‘T’, mas o sistema acaba por se sincronizar de tal forma que observamos uma oscilação com um período maior do que ‘T’.”

Sob campos magnéticos diferentes e com outras pulsações de laser, 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 era diferente. Os investigadores montaram-no usando centros de vacância de azoto densamente compactados em diamantes, mas com o mesmo resultado.

“Resultados tão semelhantes, obtidos em dois sistemas radicalmente distintos, 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 Indiana University, que não participou no estudo, num texto de opinião 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 esquema 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 a movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é correto. Corrigimos agora essa explicação.