Minha primeira pergunta foi: “O que é um cristal do tempo?” Os estudantes de pós-graduação da Harvard Soonwon Choi, Joonhee Choi e a pesquisadora de pós-doutorado Renate Landig todos começaram a rir. “Essa é uma pergunta muito boa”, disse Soonwon. O nome de ficção científica dos cristais do tempo esconde sua sutil nuance de mecânica quântica. Às vezes, um nome é simplesmente a aproximação mais fácil para descrever algo bem mais complexo que nossas mentes podem conceber.
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Dois grupos de cientistas relataram terem observado exóticos cristais do tempo, sistemas de átomos cujas propriedades se auto ordenam, ou “cristalizam” no tempo da mesma forma que sólidos podem cristalizar no espaço. As ordenações atômicas bem distintas dos dois grupos não são máquinas de movimento perpétuo, armas ou dispositivos de viagem no tempo, mas seu comportamento estranho mostra toda uma nova classe de materiais com propriedades diferentes de qualquer outro sólido, líquido ou gás que você já encontrou.
“Os experimentos são lindos e abrem uma nova classe de estados da matéria que realmente são novos e fascinantes qualitativamente”, o físico teórico do MIT e ganhador do Nobel disse ao Gizmodo. Wilczek propôs os cristais do tempo em 2012, enquanto pensava se certas propriedades se alterando no tempo, ao invés de no espaço, poderiam mostrar novas fases da matéria. Ele disse que “as novas descobertas… certamente são descendentes reconhecíveis da visão original e por isso mantiveram o nome.”
Leis físicas são carregadas de simetrias, instâncias em que a ação produz a mesma reação em um ambiente diferente. Se você soca uma parede rígida com a mesma força, ela vai machucar igual, não importa em que comprimento da parede você soque ou que hora do dia seja. Essas são traduções de simetria espaciais e temporais. Algumas simetrias podem quebrar. Cristais, sólidos cujas partículas se ordenam de maneira específica, quebrando a chamada simetria espacial translacional, já que as moléculas preferem um lugar específico no espaço. Se você tivesse uma cerca de tábuas ao invés de uma parede sólida, isso poderia quebrar a simetria espacial translacional, já que socar a cerca é diferente de socar o espaço entre as tábuas.
A ideia de Wilczek era simples: as moléculas são capazes de quebrar a simetria temporal translacional? Certos sólidos conseguem se cristalizar no tempo, preferindo diferentes estados em diferentes intervalos de tempo? Isso seria como as cigarras com ciclo de 17 anos, elas poderiam emergir em qualquer ano, mas ao invés disso elas quebram a simetria temporal translacional, já que elas aparecem a cada 17 anos ao invés de todos os anos.
Imagem: T. Li et al., Phys. Rev. Lett. (2012)
Os físicos Haruki Watanabe e Masaki Oshikawa, da Universidade de Tóquio, perceberam em 2014 que, não, provavelmente não existem cristais do tempo, ou ao menos não da forma como Wilczek os definiu. Dois anos depois, físicos incluindo Shivaji Sondhi, de Princeton, e Chetan Nayak, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, mostraram que os cristais do tempo podem existir se você mudar as regras um pouco, ao dar uma cutucada periódica nos átomos, por exemplo. O físico Norman Yao, da Universidade da Califórnia Berkeley, esboçou uma espécie de esquema para determinar o que medir para convencer os pesquisadores de que eles criaram um cristal do tempo. As duas descobertas vieram à tona algumas semanas atrás, mas agora passaram pelo processo de examinação.
“O impressionante do cristal do tempo é que ele é estável”, Yao disse ao Gizmodo. O cristal do tempo precisaria preferir certa frequência de vibração, diferente da frequência da cutucada periódica. Depois de alguns estímulos, a vibração preferida não altera.
É isso que cada grupo acabou de publicar na Nature. Partículas têm uma propriedade quântica inata chamada “spin”, relacionada ao magnetismo, que, no caso desses cristais, tem dois valores distintos. Os valores todos se alinham e se alternam em um ritmo preferido pelo cristal. Entender precisamente o spin não é tão importante para entender os cristais do tempo. Em um nível mais básico, apenas pense nele como se cada partícula fosse um espectador em um jogo de esportes segurando uma placa. Se todo mundo segura o lado A, a placa coletiva diz uma frase, e se eles mostrarem o lado B, diz uma frase diferente. De outra forma, é uma imensa bagunça.
Um grupo da Universidade de Maryland alinhou dez íons de itérbio (itérbio é apenas um elemento químico) e os atingiu com pulsos periódicos de laser para em sua maioria, mas não todos, alterar o spin dos íons. Os valores de spin das partículas encaixaram no lugar, girando independentemente. Eles continuaram girando e se alinhando a metade da velocidade do pulso do laser. Se o time alterava o pulso ligeiramente, os dez íons continuavam no seu ciclo, mesmo apesar da intuição dizer que o movimento periódico dos cristais do tempo deveria eventualmente desmoronar. Em vez disso, eles preferiram seguir no ritmo do próprio tambor.
A configuração do grupo de Harvard era um pouco diferente. Eles carregaram a estrutura regular de carbono de um diamante com impurezas na forma de átomos de hidrogênio, tantas impurezas que o diamante ficou preto. Seu cristal também precisou de uma força de pulso, nesse caso um campo de microondas, e eles também viram os spins das impurezas alternarem de lado, se encaixando no lugar com sua própria frequência mais baixa, um período mais longo. Isso fez com que o diamante ficasse fluorescente, como na foto abaixo. Seu sistema era tão complexo que a teoria não consegue explicar totalmente o comportamento, disse Soonwon Choi.
Imagem: Soonwon Choi
“Ambos os sistemas são muito legais. Eles são bem diferentes”, disse Yao. “Eu acho que eles são extremamente complementares. Eu não acho que um seja melhor do que o outro. Eles olham para dois regimes diferentes da física. O fato de você enxergar essa fenomenologia similar em diferentes sistemas é realmente impressionante.”
O cristal pode preferir seu ritmo de alternância de spin, mas o efeito certamente não vai durar para sempre. Cristais do tempo não podem existir sem o pulso de energia repetido para ajudar os átomos a se organizarem com o tempo. “Não é um moto perpétuo”, Jiehang Zhang, da Universidade de Maryland, disse ao Gizmodo. “Nós estamos controlando ela!”
Se você ainda estiver um pouco confuso, Yao tem uma explicação: se você está pulando corda, é esperada uma rotação sempre que a mão da pessoa segurando a corda gira. Esses cristais do tempo têm uma mente própria, a corda faz uma volta completa, ou o spin segue seu ciclo, para cada duas vezes que a sua mão gira. Além do mais, explicou Zhang, bater na corda um pouco não vai alterar ou parar a estabilidade do giro.
Nayak concordou que ambos os grupos apresentaram evidências dos cristais que ele e outros teorizaram, mas ainda precisamos saber o quão estáveis esses cristais são. “Seus resultados combinados apontam a necessidade de experimentos que realmente mostrem que as oscilações continuem em fase em períodos prolongados”, escreveu na Nature, em um artigo da News & Views, “e que não são apagados por inevitáveis flutuações”.
Agora que você sabe o que é um cristal do tempo, seu primeiro pensamento quase certamente seja: “é isso? O que tem de tão empolgante nisso? (‘Outro dia em um jogo eu vi um cristal do tempo como uma arma’, disse Landig)”. Soonwon imediatamente levantou o potencial da computação quântica bem longe no futuro, controlando inúmeros bits quânticos ao mesmo tempo. Mas a importância é provavelmente mais fundamental. Normalmente, fases da matéria existem somente ao alternar a forma da ordenação das partículas no espaço. Cristais do tempo abrem todo um novo mundo de novas fases possíveis ao acrescentar pulsos de laser ou microondas, fases que só existem quando você está fazendo algo ao sólido, como uma versão de física quântica de como amido de milho misturado na água só parece sólido quando você toca nele.
“Isso mostra que a riqueza das fases da matéria é ainda mais ampla do que imaginávamos”, disse Yao. “Um dos cálices sagrados da física é o entendimento de que tipos de matéria podem existir na natureza.” Nós temos vários materiais estranhos como supercondutores e superfluidos, mas “fases de não-equilíbrio” como cristais do tempo “representam um novo campo diferente de qualquer coisa que estudamos no passado”.
Imagem do topo: Soonwon Choi