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

Durante meses, circularam rumores de que os investigadores poderiam finalmente ter conseguido criar cristais de tempo - cristais invulgares cuja estrutura atómica não se repete apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo uma oscilação contínua sem consumo de energia.

Agora deixou de ser apenas conversa: uma equipa de cientistas descreveu, com pormenor, como fabricar e medir estes cristais pouco convencionais. Além disso, duas equipas independentes afirmam ter seguido esse “plano” e ter obtido cristais de tempo em laboratório, reforçando a ideia de que estamos perante uma nova fase da matéria.

Esta descoberta pode soar abstracta, mas aponta para uma mudança importante na física. Durante décadas, o estudo da matéria centrou-se sobretudo em sistemas em equilíbrio, como metais e isoladores. Só que, há muito, os físicos suspeitam que o Universo alberga muitos outros tipos de matéria fora do equilíbrio que quase não explorámos - e os cristais de tempo eram um dos candidatos mais intrigantes.

Ter, pela primeira vez, um exemplo concreto de matéria fora do equilíbrio poderá abrir caminho a avanços tanto na compreensão dos fenómenos fundamentais como em tecnologias emergentes, incluindo a computação quântica.

“Isto é uma nova fase da matéria, ponto final - e é particularmente fascinante por ser um dos primeiros exemplos de matéria fora do equilíbrio”, afirmou o investigador principal Norman Yao, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
“Nos últimos 50 anos, estivemos a explorar matéria em equilíbrio, como metais e isoladores. Só agora começamos a entrar num território totalmente novo: a matéria fora do equilíbrio.”

Cristais de tempo: matéria fora do equilíbrio que oscila no estado fundamental

Antes de chegar às experiências, vale a pena recuar um pouco. A ideia de cristais de tempo anda a ser discutida há alguns anos. Foi proposta em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, laureado com o Prémio Nobel, que sugeriu a existência de estruturas capazes de apresentar “movimento” mesmo no seu nível mínimo de energia, o chamado estado fundamental.

Em condições normais, quando um material está no estado fundamental (associado à energia mínima de um sistema), esperar-se-ia que não pudesse haver dinâmica persistente, porque qualquer movimento exigiria gasto de energia. Wilczek argumentou que, no caso específico dos cristais de tempo, esta intuição poderia falhar.

Num cristal normal, a organização dos átomos repete-se no espaço - tal como a rede cristalina do carbono num diamante. Ainda assim, quando estão em equilíbrio no estado fundamental, essas estruturas permanecem estáticas.

Nos cristais de tempo, a diferença crucial é que o padrão se repete no tempo, não apenas no espaço. O sistema continua a oscilar mesmo no estado fundamental.

Uma forma de visualizar isto é pensar numa gelatina: ao toque, ela abana várias vezes. Nos cristais de tempo acontece algo análogo, mas com uma distinção decisiva - a oscilação é sustentada sem o tipo de consumo energético que esperaríamos num sistema convencional. É precisamente essa incapacidade de “ficar quieto” no sentido habitual que coloca os cristais de tempo no domínio da matéria fora do equilíbrio.

Do conceito à bancada: o “plano” experimental de Norman Yao para cristais de tempo

Prever a existência de cristais de tempo é uma coisa; construí-los e confirmá-los experimentalmente é outra. Foi aqui que o novo trabalho de Yao e colaboradores se tornou decisivo: a equipa apresentou um plano detalhado com instruções para criar e medir as propriedades de um cristal de tempo, incluindo previsões sobre as diferentes fases que podem existir nas proximidades - um “mapa” comparável, em espírito, às transições entre sólido, líquido e gasoso, mas aplicado a esta nova categoria de matéria.

O estudo foi publicado em Cartas de Revisão Física, e Yao descreveu-o como “a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

Um ponto adicional importante é que este tipo de plano não serve apenas para “produzir” um fenómeno: também ajuda a definir critérios claros de medição, distinguindo um comportamento genuinamente ligado a quebra de simetria temporal de efeitos transitórios ou de ruído experimental.

Duas realizações em laboratório: iões de itérbio (Maryland) e diamantes (Harvard)

Com base no plano proposto, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - anunciaram ter criado os seus próprios cristais de tempo.

Estes resultados foram comunicados no final do ano anterior no repositório de pré-publicações arXiv.org e enviados para revistas com revisão por pares. Yao surge como coautor em ambos os artigos.

Enquanto os artigos não forem formalmente publicados, faz sentido manter prudência. Ainda assim, é encorajador que duas equipas distintas tenham obtido cristais de tempo a partir de sistemas muito diferentes, seguindo o mesmo enquadramento conceptual e experimental.

O cristal de tempo da Universidade de Maryland: 10 iões de itérbio entrelaçados

O grupo de Maryland construiu o seu sistema com uma “fila” de 10 iões de itérbio, cujos spins electrónicos estavam entrelaçados.

Crédito: Chris Monroe, Universidade de Maryland

Para transformar esse conjunto num cristal de tempo, foi essencial impedir que o sistema relaxasse para o equilíbrio. Para tal, os investigadores aplicaram alternadamente dois lasers: um gerava um campo magnético e o outro provocava uma inversão parcial dos spins dos átomos.

Como os spins dos átomos estavam entrelaçados, o sistema acabou por se organizar num padrão repetitivo e estável de inversões de spin - um comportamento que, pela repetição regular, se assemelha ao que se espera de um cristal.

O passo decisivo para ser um cristal de tempo foi a quebra de simetria temporal. Ao observar a dinâmica dos iões de itérbio, os cientistas detectaram algo inesperado: as excitações periódicas impostas pelos lasers geravam uma resposta do sistema com um período duas vezes maior do que o período do “empurrão” externo - um efeito que não ocorreria num sistema normal.

“Seria muito estranho se abanasse a gelatina e, de alguma forma, ela respondesse com um período diferente”, explicou Yao.
“Mas essa é a essência do cristal de tempo: existe um condutor periódico com período ‘T’, e o sistema sincroniza-se de tal modo que o observamos a oscilar com um período maior do que ‘T’.”

Ao variar o campo magnético e o regime de pulsos do laser, o cristal de tempo podia passar por mudanças de fase, num paralelismo com transições como a fusão de um cubo de gelo.

Crédito: Norman Yao, Universidade da Califórnia, em Berkeley

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

A abordagem de Harvard seguiu um caminho distinto: em vez de iões aprisionados, os investigadores recorreram a centros de vacância de azoto densamente distribuídos em diamantes, obtendo, ainda assim, o mesmo tipo de assinatura física compatível com um cristal de tempo.

Phil Richerme, da Universidade de Indiana, que não participou no estudo, sublinhou num texto de perspectiva associado ao artigo que a semelhança dos resultados em plataformas tão diferentes é um sinal forte de que não se trata de uma curiosidade limitada:

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

O que isto pode desbloquear a seguir (além da computação quântica)

Se os cristais de tempo se confirmarem como uma plataforma robusta, poderão tornar-se úteis como laboratório para estudar como a matéria fora do equilíbrio se organiza, preserva coerência e transita entre fases sob perturbações periódicas. Em paralelo, a capacidade de produzir respostas temporais estáveis e repetitivas pode interessar a áreas como a metrologia e o controlo de sistemas quânticos complexos, onde a estabilidade dinâmica é frequentemente tão importante quanto a estabilidade energética.

Ao mesmo tempo, estes resultados lembram que “fase da matéria” não precisa de estar limitada ao catálogo clássico (sólido/líquido/gás) nem ao equilíbrio termodinâmico: a própria dimensão temporal pode ser um palco para padrões espontâneos, desde que a simetria apropriada seja quebrada.

Referências e nota de actualização

O “plano” de Yao foi publicado em Cartas de Revisão Física. Os trabalhos sobre o cristal de tempo de Harvard e o da Universidade de Maryland foram disponibilizados em arXiv.org e submetidos para publicação com revisão por pares.

Actualização (31 de Janeiro de 2017): numa versão anterior, foi feita uma comparação entre a oscilação constante dos cristais de tempo e um tipo de movimento perpétuo no estado fundamental. Essa formulação não era rigorosa e foi corrigida.