Cristais do tempo criados em laboratório confirmam nova fase da matéria

Há meses que se especula sobre a possibilidade de os investigadores terem finalmente criado cristais do tempo: cristais invulgares cuja estrutura atómica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo-se em oscilação constante sem energia.

Agora é oficial: os investigadores descreveram em pormenor como produzir e medir estes cristais invulgares. Além disso, duas equipas científicas independentes afirmam ter criado cristais do tempo em laboratório a partir desse modelo, confirmando a existência de uma fase inteiramente nova da matéria.

A descoberta pode parecer abstrata, mas anuncia uma nova era na física. Durante décadas, estudámos matéria definida como estando «em equilíbrio», como os metais e os isoladores.

Contudo, prevê-se que existam no Universo muitos outros tipos estranhos de matéria que não estão em equilíbrio e que ainda mal começámos a investigar, entre os quais os cristais do tempo. Agora sabemos que são reais.

Dispor de um primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio poderá trazer avanços na compreensão do mundo que nos rodeia, bem como dar origem a tecnologias como a computação quântica.

«Esta é uma nova fase da matéria, ponto final, mas também é fascinante porque é um dos primeiros exemplos de matéria fora do equilíbrio», afirmou Norman Yao, investigador principal da Universidade da Califórnia em Berkeley.

«Durante o último meio século, temos explorado a matéria em equilíbrio, como os metais e os isoladores. Só agora começamos a explorar todo um novo panorama de matéria fora do equilíbrio.»

O que são os cristais do tempo?

Vale a pena recuar um pouco, pois a ideia dos cristais do tempo já circula há alguns anos.

Previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, laureado com o Prémio Nobel, os cristais do tempo são estruturas que parecem apresentar movimento mesmo no seu estado de energia mais baixo, conhecido como estado fundamental.

Normalmente, quando um material se encontra no estado fundamental, também designado por energia de ponto zero de um sistema, o movimento deveria ser teoricamente impossível, já que exigiria um gasto de energia.

Wilczek previu, porém, que isso poderia não se aplicar aos cristais do tempo.

Os cristais comuns 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, permanecem imóveis porque estão em equilíbrio no seu estado fundamental.

Já a estrutura dos cristais do tempo repete-se no tempo, além de se repetir no espaço, e continua a oscilar no estado fundamental.

Imagine uma gelatina: ao tocar-lhe, ela abana repetidamente. Algo semelhante acontece nos cristais do tempo, com uma diferença fundamental: o movimento ocorre sem energia.

Um cristal do tempo assemelha-se a uma gelatina que oscila continuamente no seu estado natural, o estado fundamental. É isso que faz dele uma fase inteiramente nova da matéria - matéria fora do equilíbrio. Não consegue permanecer imóvel.

Como criar e medir cristais do tempo

Prever a existência destes cristais é, no entanto, muito diferente de os produzir. É aqui que entra o novo estudo.

Yao e a sua equipa desenvolveram um modelo pormenorizado que descreve exatamente como criar um cristal do tempo e medir as suas propriedades. O modelo prevê ainda como deverão ser as diferentes fases em torno dos cristais do tempo. Por outras palavras, os investigadores mapearam o equivalente às fases sólida, líquida e gasosa desta nova fase da matéria.

Publicado na revista Physical Review Letters, o artigo é descrito por Yao como «a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental».

E não se trata apenas de especulação. Seguindo o modelo de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - utilizaram as instruções para criar os seus próprios cristais do tempo.

Ambos os trabalhos foram anunciados no final do ano passado no repositório de pré-publicações arXiv.org, aqui e aqui, e foram submetidos a revistas científicas para publicação após revisão por pares. Yao é coautor dos dois artigos.

Enquanto aguardamos a publicação dos estudos, é necessário manter uma atitude cética perante as duas afirmações. Ainda assim, é promissor que equipas distintas tenham usado o mesmo modelo para criar cristais do tempo a partir de sistemas muito diferentes.

Os cristais do tempo de Maryland e de Harvard

Para criar os cristais do tempo da Universidade de Maryland, os investigadores dispuseram 10 iões de itérbio numa fila, como numa dança conga, com os respetivos spins eletrónicos todos entrelaçados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

A chave para transformar essa montagem num cristal do tempo foi manter os iões fora do equilíbrio. Para tal, os investigadores atingiram-nos alternadamente com dois lasers: um criava um campo magnético e o outro invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins de todos os átomos estavam entrelaçados, estes estabeleceram um padrão estável e repetitivo de inversão dos spins, característico de um cristal.

Isso era suficientemente normal, mas, para se tornar um cristal do tempo, o sistema tinha de quebrar a simetria temporal. Ao observar a fila de átomos de itérbio, os investigadores detetaram algo invulgar.

Os dois lasers, que estimulavam periodicamente os átomos de itérbio, produziam no sistema uma repetição com um período duas vezes superior ao dos estímulos, algo que não poderia acontecer num sistema normal.

«Não seria muito estranho abanar a gelatina e descobrir que, de alguma forma, ela respondia com um período diferente?», perguntou Yao.

«Mas essa é a essência do cristal do tempo. Há um estímulo periódico com um período “T”, mas o sistema sincroniza-se de alguma forma, de modo que o observamos a oscilar com um período superior a “T”.»

Quando os investigadores alteravam os campos magnéticos e os impulsos dos lasers, o cristal do tempo mudava de fase, à semelhança de um cubo de gelo a derreter.

Norman Yao, Universidade da Califórnia em Berkeley

O cristal do tempo de Harvard era diferente. Os investigadores criaram-no com centros de vacância de azoto densamente agrupados em diamantes, mas obtiveram o mesmo resultado.

«Resultados tão semelhantes, alcançados em dois sistemas extremamente distintos, mostram que os cristais do tempo constituem uma nova fase da matéria de âmbito alargado, 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 artigo de perspetiva que acompanhou a publicação.

«A observação do cristal do tempo discreto… confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em praticamente todos os domínios da natureza e abre caminho a várias novas linhas de investigação.»

O modelo de Yao foi publicado na Physical Review Letters. O artigo sobre o cristal do tempo de Harvard pode ser consultado aqui, e o da Universidade de Maryland aqui.

Atualização de 31 de janeiro de 2017: Anteriormente, tínhamos comparado a oscilação constante dos cristais do tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é exato. Essa explicação foi agora corrigida.