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

Por meses, circulou a suspeita de que investigadores poderiam ter, enfim, criado cristais do tempo - cristais estranhos cuja estrutura atómica se repete não apenas no espaço, mas também no tempo, mantendo-os em oscilação contínua sem gasto de energia.

Agora é oficial: cientistas acabam de relatar, com detalhe, como fabricar e medir esses cristais incomuns. E duas equipas independentes dizem ter criado cristais do tempo em laboratório seguindo esse “roteiro”, o que confirmaria a existência de uma fase de matéria inteiramente nova.

À primeira vista, a descoberta parece abstrata, mas sinaliza uma viragem importante na física. Durante décadas, o foco foi a matéria definida por estar “em equilíbrio”, como metais e isolantes.

Só que já se previa que o Universo guardaria muitos outros tipos esquisitos de matéria fora do equilíbrio - ainda pouco explorados - e entre eles estariam os cristais do tempo. Agora, pelo menos em princípio, sabemos que são reais.

Ter nas mãos um primeiro exemplo de matéria fora do equilíbrio pode destravar avanços na compreensão do mundo físico e abrir caminho para novas tecnologias, como a computação quântica.

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

"Nos últimos cinquenta anos, estivemos a explorar a matéria em equilíbrio, como metais e isolantes. Só agora estamos a começar a explorar toda uma nova paisagem de matéria fora do equilíbrio."

Antes de tudo: o que são cristais do tempo?

Vale recuar um pouco, porque a ideia de cristais do tempo já circula há alguns anos.

Previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico Frank Wilczek, vencedor do Prémio Nobel, os cristais do tempo são estruturas que aparentam exibir movimento mesmo no seu estado de menor energia, chamado estado fundamental.

Em geral, quando um material está no estado fundamental - também referido como a energia de ponto zero de um sistema -, em teoria não deveria haver movimento, porque mover-se implicaria gastar energia.

Wilczek, contudo, propôs que essa intuição poderia não se aplicar aos cristais do tempo.

Nos cristais comuns, a organização dos átomos repete-se no espaço - tal como a rede de carbono de um diamante. Mas, como um rubi ou um diamante, eles ficam imóveis porque estão em equilíbrio no seu estado fundamental.

Já os cristais do tempo têm uma estrutura que se repete no tempo, não apenas no espaço. E continuam a oscilar mesmo no estado fundamental.

Pense numa gelatina: ao tocar nela, ela vibra repetidamente. A analogia serve para os cristais do tempo, com uma diferença crucial: ali, o “balanço” acontece sem consumo de energia.

Um cristal do tempo seria, portanto, como uma gelatina que oscila sem parar no seu estado natural, o estado fundamental - e é isso que o coloca como uma fase de matéria nova, matéria fora do equilíbrio. Ele não consegue simplesmente “ficar quieto”.

O “roteiro” de Yao para criar e medir cristais do tempo

Uma coisa é prever que os cristais do tempo possam existir; outra, bem diferente, é fabricá-los. É aí que entra o novo estudo.

Yao e colegas elaboraram um plano detalhado que descreve exatamente como produzir e medir as propriedades de um cristal do tempo e, além disso, antecipa quais seriam as várias fases ao redor desses cristais - algo como mapear o equivalente, para essa nova fase de matéria, das fases sólido, líquido e gasoso.

Publicado em Cartas de Revisão Física, Yao descreve o artigo como "a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental".

E não ficou apenas no campo das hipóteses. A partir do roteiro de Yao, duas equipas independentes - uma da Universidade de Maryland e outra de Harvard - seguiram as instruções e criaram os seus próprios cristais do tempo.

Ambos os avanços foram anunciados no fim do ano passado no repositório de pré-publicações arXiv.org (aqui e aqui) e foram submetidos a revistas com revisão por pares. Yao é coautor nos dois trabalhos.

Enquanto os artigos não são publicados, é importante manter ceticismo em relação às duas alegações. Ainda assim, o facto de duas equipas diferentes terem usado o mesmo roteiro para obter cristais do tempo a partir de sistemas muito distintos é um sinal encorajador.

Dois experimentos com cristais do tempo: iões de itérbio e diamantes

Os cristais do tempo da Universidade de Maryland foram obtidos a partir de uma “linha de conga” com 10 iões de itérbio, todos com spins eletrónicos emaranhados.
Chris Monroe, Universidade de Maryland

Para transformar esse arranjo num cristal do tempo, era essencial manter os iões fora do equilíbrio. Para isso, os investigadores alternavam dois lasers: um gerava um campo magnético e o outro invertia parcialmente os spins dos átomos.

Como os spins dos átomos estavam emaranhados, o sistema acomodou-se num padrão estável e repetitivo de inversões de spin - o tipo de repetição que caracteriza um cristal.

Até aí, nada tão fora do comum. Mas, para ser um cristal do tempo, o sistema precisava quebrar a simetria temporal. Ao observar a fila de átomos de itérbio, os cientistas notaram um comportamento peculiar.

Os dois lasers, que empurravam periodicamente os átomos, induziam uma repetição no sistema com um período duas vezes maior do que o período desses “empurrões” - algo que não deveria acontecer num sistema normal.

"Não seria super estranho se você sacudisse a gelatina e descobrisse que, de algum modo, ela respondeu com um período diferente?", disse Yao.

"Mas essa é a essência do cristal do tempo. Você tem um acionamento periódico com período 'T', mas o sistema de alguma forma se sincroniza de modo que você observa o sistema a oscilar com um período maior do que 'T'."

Ao variar os campos magnéticos e o padrão de pulsos dos lasers, o cristal do tempo mudava de fase - de maneira análoga ao derretimento de um cubo de gelo.
Norman Yao, Universidade da Califórnia, em Berkeley

O cristal do tempo de Harvard, por sua vez, foi construído de outra forma. A equipa usou centros de vacância de nitrogénio densamente empacotados em diamantes e obteve o mesmo resultado final.

"Resultados tão semelhantes alcançados em dois sistemas extremamente distintos reforçam que cristais do tempo são uma fase de matéria nova e ampla, e não apenas uma curiosidade limitada a sistemas pequenos ou muito específicos", explicou Phil Richerme, da Universidade de Indiana, que não participou do estudo, num texto de perspectiva que acompanhou o artigo.

"A observação do cristal do tempo discreto… confirma que a quebra de simetria pode ocorrer essencialmente em todos os domínios naturais, e abre caminho para várias novas linhas de pesquisa."

O roteiro de Yao foi publicado em Cartas de Revisão Física, e é possível ver o artigo do cristal do tempo de Harvard aqui, e o artigo da Universidade de Maryland aqui.

Atualização de 31 de janeiro de 2017: anteriormente, comparámos a oscilação constante dos cristais do tempo a um movimento perpétuo no estado fundamental, o que não é correto. Corrigimos agora essa explicação.