Cientistas confirmaram uma nova fase da matéria: cristais de tempo

Por meses, circulou a hipótese de que pesquisadores finalmente teriam conseguido criar cristais do tempo - cristais exóticos cuja estrutura atómica não se repete apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo um tipo de oscilação contínua sem que isso exija energia adicional do sistema.

Agora a história ganhou contornos oficiais: cientistas relataram, em detalhe, como produzir e medir esses cristais incomuns. Além disso, duas equipas independentes afirmam ter criado cristais do tempo em laboratório seguindo esse “roteiro”, reforçando a ideia de que estamos diante de uma nova fase da matéria.

Por que os cristais do tempo importam para a física

À primeira vista, a descoberta parece abstrata. Só que ela aponta para uma mudança de foco na física da matéria condensada: durante décadas, o estudo foi dominado por materiais definidos como estando em equilíbrio, como metais e isolantes.

Há, contudo, uma previsão teórica de que o Universo abriga muitas formas de matéria fora do equilíbrio - um território ainda pouco explorado - e os cristais do tempo são um dos exemplos mais intrigantes dessa categoria. O facto de existir, agora, um primeiro exemplo concreto e estudável de matéria fora do equilíbrio pode acelerar avanços tanto na compreensão de sistemas físicos complexos quanto em tecnologias emergentes, como a computação quântica.

“Isto 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 o pesquisador principal Norman Yao, da Universidade da Califórnia, Berkeley.
“Nos últimos 50 anos, explorámos matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos a começar a explorar uma paisagem totalmente nova de matéria fora do equilíbrio.”

O que são cristais do tempo (e o que os torna diferentes)

Para entender a ideia, vale recuar alguns anos. Os cristais do tempo foram previstos em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek (vencedor do Prémio Nobel). A proposta descreve estruturas que parecem exibir movimento mesmo no seu estado de menor energia, o chamado estado fundamental.

Em condições normais, quando um material está no estado fundamental (associado à energia mínima do sistema), esperar-se-ia que não houvesse “movimento organizado”, porque isso sugeriria gasto de energia. Wilczek argumentou que, no caso dos cristais do tempo, poderia ocorrer algo diferente.

Em cristais comuns, a estrutura atómica é periódica no espaço - como a rede de carbono de um diamante. No estado fundamental, esses cristais permanecem imóveis, em equilíbrio.

Já nos cristais do tempo, a periodicidade aparece no tempo, não apenas no espaço: o sistema exibe uma oscilação repetitiva mesmo no estado fundamental.

Uma forma intuitiva de imaginar isso é pensar numa gelatina: quando se dá um toque, ela oscila repetidamente. A analogia com os cristais do tempo está no padrão repetitivo - mas aqui está o ponto-chave: o comportamento surge como propriedade do sistema no seu estado fundamental, caracterizando uma fase fora do equilíbrio. Em termos simples, é uma matéria que não “assenta” num repouso estático do modo como estamos habituados a descrever em sistemas em equilíbrio.

O “roteiro” experimental: como fazer e como medir cristais do tempo

Prever a existência de cristais do tempo é uma coisa; construí-los e comprovar as suas propriedades é outra. Foi aí que entrou o trabalho liderado por Yao e colaboradores, que apresentou um plano detalhado para:

• criar um sistema com as condições necessárias para a fase de cristal do tempo;
• medir as assinaturas desse comportamento;
• prever as fases próximas, mapeando algo análogo ao que seriam “sólido, líquido e gasoso” no contexto dessa nova fase da matéria.

O estudo foi publicado em Cartas de Revisão Física e, segundo Yao, funciona como “uma ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental”.

Um ponto adicional: por que isto pode abrir novas aplicações

Além do impacto conceptual, sistemas fora do equilíbrio com dinâmica temporal estável podem tornar-se plataformas úteis para investigar coerência quântica, controlo de muitos corpos e robustez de estados colectivos. Mesmo que ainda seja cedo para prometer produtos, o tema toca directamente em desafios práticos de computação quântica, como proteger informação quântica contra ruído e compreender regimes de estabilidade em sistemas complexos.

Também vale notar que estes resultados empurram a fronteira do que se consegue controlar em laboratório: sequências de excitação periódica, interacções entre partículas e leitura precisa do estado do sistema. Esse tipo de “engenharia” experimental tende a transbordar para outras áreas, da metrologia quântica ao desenvolvimento de novos protocolos de controlo.

Duas demonstrações independentes em laboratório

Com base no “roteiro” descrito acima, duas equipas independentes relataram ter produzido cristais do tempo:

• uma na Universidade de Maryland;
• outra na Universidade Harvard.

Os resultados foram divulgados no fim do ano anterior no repositório de pré-publicações arXiv.org e submetidos a revistas científicas com revisão por pares. Yao assina como coautor em ambos os trabalhos.

Enquanto os artigos ainda atravessavam o processo de publicação, a postura prudente era manter cepticismo. Ainda assim, o facto de duas equipas diferentes terem usado o mesmo esquema para obter cristais do tempo em sistemas muito distintos foi visto como um sinal encorajador.

O cristal do tempo da Universidade de Maryland: iões de itérbio e lasers

No caso da Universidade de Maryland, o cristal do tempo foi construído a partir de uma “fila” de 10 iões de itérbio, com spins electrónicos emaranhados.

Crédito da imagem/legenda: Chris Monroe, Universidade de Maryland

O ingrediente essencial para transformar essa configuração num cristal do tempo foi manter os iões fora do equilíbrio. Para isso, os pesquisadores alternaram dois lasers:

• o primeiro laser gerava um campo magnético;
• o segundo laser invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins estavam emaranhados, o conjunto evoluiu para um padrão estável e repetitivo de inversões de spin - um comportamento que caracteriza um tipo de ordenação semelhante à de um cristal.

O passo seguinte, para ser um cristal do tempo, foi a quebra de simetria temporal. Ao observar a sequência de iões de itérbio, a equipa notou algo incomum: os dois lasers “empurravam” o sistema periodicamente, mas a resposta surgia com um período duas vezes maior do que o período do impulso externo - algo que não se esperaria de um sistema comum.

“Não seria muito estranho se você mexesse a gelatina e percebesse que, de alguma forma, ela responde com um período diferente?”, disse Yao.
“Mas essa é a essência do cristal do tempo. Você tem um agente periódico com período ‘T’, mas o sistema sincroniza de um modo em que você observa o sistema a oscilar com um período maior do que ‘T’.”

Sob diferentes campos magnéticos e diferentes padrões de pulsos de laser, o cristal do tempo podia mudar de fase - de modo análogo a um cubo de gelo a derreter quando as condições variam.

Crédito da imagem/legenda: Norman Yao, Universidade da Califórnia, Berkeley

O cristal do tempo de Harvard: defeitos em diamantes (centros de vacância de nitrogénio)

A abordagem de Harvard foi outra. Em vez de iões aprisionados, os pesquisadores usaram diamantes com centros de vacância de nitrogénio densamente agrupados - defeitos no cristal do diamante que podem ser manipulados e lidos como sistemas quânticos. Apesar da diferença radical na plataforma experimental, o resultado reportado foi compatível com a mesma assinatura de cristais do tempo.

Phil Richerme, da Universidade de Indiana (que não participou do estudo), destacou num texto de perspectiva que a semelhança entre resultados obtidos em sistemas tão diferentes sugere que os cristais do tempo representam uma fase ampla e robusta da matéria fora do equilíbrio, e não apenas uma curiosidade limitada a configurações muito específicas.

Segundo ele, a observação do cristal do tempo discreto confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em praticamente todos os domínios naturais e abre caminho para novas linhas de investigação.

Referências e nota de actualização

O “roteiro” de Yao e colaboradores foi publicado em Cartas de Revisão Física. Os trabalhos experimentais das equipas de Harvard e da Universidade de Maryland foram divulgados inicialmente no arXiv.org e encaminhados para avaliação em revistas científicas.

Actualização (31 de janeiro de 2017)

Uma versão anterior desta explicação comparou a oscilação constante dos cristais do tempo a “movimento perpétuo” no estado fundamental, o que não descreve correctamente o fenómeno. A formulação foi ajustada para reflectir com mais precisão a ideia.