Cristais do tempo: investigadores confirmam uma nova fase da matéria

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

Agora é oficial: os investigadores acabam de descrever em pormenor como produzir e medir estes cristais. Com base nesse projeto, duas equipas científicas independentes afirmam tê-los criado em laboratório, 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 isolantes.

No entanto, os cientistas previram que existem no Universo muitos outros tipos invulgares de matéria que não estão em equilíbrio e que ainda nem começámos a investigar, entre eles os cristais do tempo. Agora sabemos que são reais.

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

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

«Durante o último meio século, explorámos a matéria em equilíbrio, como os metais e os isolantes. Só agora estamos a começar a explorar todo um novo domínio da matéria fora do equilíbrio.»

Como funcionam os cristais do tempo

Para compreender a descoberta, vale a pena recuar um pouco: a ideia dos cristais do tempo já circula há alguns anos.

A sua existência foi prevista pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Prémio Nobel. Estas estruturas parecem apresentar movimento mesmo no seu estado de energia mais baixo, conhecido como estado fundamental.

Habitualmente, quando um material se encontra no estado fundamental, também designado energia de ponto zero de um sistema, o movimento deveria ser teoricamente impossível, pois 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 acontece com a rede de átomos de carbono de um diamante. Mas, tal como um rubi ou um diamante, permanecem imóveis por estarem em equilíbrio no 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 dar-lhe um toque, ela abana repetidamente. Algo semelhante acontece nos cristais do tempo, com uma diferença essencial: o movimento ocorre sem qualquer energia.

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

Do projeto teórico às experiências com cristais do tempo

Prever a existência destes cristais é, contudo, uma coisa; criá-los é outra bem diferente. É aqui que entra o novo estudo.

Yao e a sua equipa desenvolveram um projeto detalhado que descreve exatamente como criar um cristal do tempo e medir as suas propriedades. O projeto prevê ainda como deverão ser as várias fases em redor dos cristais do tempo, o que significa que os investigadores mapearam, para a nova fase da matéria, o equivalente às fases sólida, líquida e gasosa.

Publicado na 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 as instruções do projeto de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - criaram os seus próprios cristais do tempo.

Ambos os desenvolvimentos foram anunciados no final do ano passado no sítio de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e submetidos a revistas científicas com revisão por pares. Yao é coautor dos dois artigos.

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

Cristais do tempo de Maryland e de Harvard

Para criar os cristais do tempo da Universidade de Maryland, os investigadores recorreram a uma fila, semelhante a uma linha de conga, de 10 iões de itérbio, todos com os spins dos eletrões emaranhados.

Chris Monroe, Universidade de Maryland

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

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

Até aí, o comportamento 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 repararam que ela fazia algo invulgar.

Os dois lasers, que perturbavam periodicamente os átomos de itérbio, produziam no sistema uma repetição com o dobro do período dessas perturbações - algo que não poderia acontecer num sistema normal.

«Não seria muito estranho se abanasse a gelatina e descobrisse que, de algum modo, ela respondia com um período diferente?», perguntou Yao.

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

Com diferentes campos magnéticos e impulsos de laser, o cristal do tempo mudava então de fase, tal como 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 usando centros de vacância de azoto densamente agrupados em diamantes, mas obtiveram o mesmo resultado.

«Resultados tão semelhantes, obtidos em dois sistemas extremamente diferentes, sublinham que os cristais do tempo constituem uma nova e ampla fase 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 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 vias de investigação.»

O projeto 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 correto. Essa explicação foi agora corrigida.