No início deste ano , os físicos elaboraram um plano para criar e medir estruturas que chamaram de Cristais de Tempo – um estado bizarro da matéria com uma estrutura atômica que se repete não apenas no espaço, mas no tempo, permitindo-lhes manter uma oscilação constante sem energia.
Duas equipes de pesquisa separadas conseguiram criar o que parecia muito semelhante aos cristais de tempo em janeiro, e agora ambos os experimentos passaram com sucesso a revisão científica pela primeira vez, colocando o fenômeno “impossível” diretamente no reino da realidade.
“Nós tomamos essas idéias teóricas que temos observado ao longo dos últimos dois anos e realmente construímos em laboratório”, diz um dos pesquisadores , Andrew Potter da Universidade do Texas em Austin.
“Esperemos que este seja apenas o primeiro exemplo destes, com muitos mais por vir.”
Os cristais de tempo são uma das coisas mais legais que a física evocou nos últimos meses, porque apontam para um novo mundo de fases “não equilibradas” que são completamente diferentes de tudo o que os cientistas estudaram no passado.
Durante décadas, estudamos matéria, como metais e isoladores, que é definida como estando em “equilíbrio” – um estado onde todos os átomos de um material têm a mesma quantidade de calor.
Agora parece que os cristais de tempo são o primeiro exemplo do estado de não-equilíbrio da hipótese, mas não estudado, mas que poderiam revolucionar a forma como armazenamos e transferimos informações através de sistemas quânticos.
“Isso mostra que a riqueza das fases da matéria é ainda mais ampla do que pensávamos”, disse o físico Norman Yao, da Universidade da Califórnia, Berkeley, que publicou o plano em janeiro, no Gizmodo.
“Um dos santos graals da física é a busca pela compreensão de que tipos de matéria podem existir na natureza. As fases de equilíbrio representam uma nova avenida diferente de todas as coisas que estudamos no passado”.
Primeiro proposto pelo físico-matemático premiado com o Prêmio Nobel, Frank Wilczek, em 2012 , os cristais de tempo são estruturas hipotéticas que parecem ter movimento mesmo em seu estado de energia mais baixo, conhecido como estado fundamental.
Normalmente, quando um material entra em seu estado fundamental – também referido como energia de ponto zero em um sistema – o movimento, teoricamente, seria impossível, porque exigiria que ele gastasse energia.
Mas Wilczek vislumbrou um objeto que poderia alcançar um movimento eterno enquanto estava em seu estado fundamental, trocando periodicamente o alinhamento de átomos no interior do cristal uma e outra vez – para fora do estado fundamental, para trás e repetir.
Vamos ser claros – esta não é uma máquina de movimento perpétuo, porque não há energia zero no sistema. Mas a hipótese inicialmente parece improvável por outra razão.
Ele sugeriu um sistema que quebra um dos pressupostos mais fundamentais da nossa compreensão atual da simetria física-tempo, que afirma que as leis da física são as mesmas em todos os lugares e em todos os momentos.
Como Daniel Oberhaus explica, a simetria de tradução no tempo é a razão pela qual seria impossível virar uma moeda em um momento e ter a probabilidade de cara ou coroá em 50/50, mas na próxima vez que você virar, as probabilidades São subitamente 70/30.
Mas certos objetos podem quebrar essa simetria em seu estado fundamental sem violar as leis da física.
Considere um ímã com uma extremidade norte e uma extremidade sul. Não está claro como um íman “decide” qual final será norte e que será sul, mas o fato de que ele tem uma extremidade norte e um sul significa que não vai olhar o mesmo em ambas as extremidades – é naturalmente assimétrica.
Outro exemplo de um objeto físico com um estado fundamental assimétrico é um cristal.
Os cristais são conhecidos por seus padrões estruturais de repetição, mas os átomos dentro deles têm posições “preferidas” dentro da rede. Assim, dependendo de onde você observar um cristal no espaço, vai vê-lo de forma diferente – as leis da física não são mais simétricas, porque não se aplicam igualmente a todos os pontos no espaço.
Com isso em mente, Wilczek propôs que poderia ser possível criar um objeto que atinge um estado fundamental assimétrico não através do espaço, como cristais ou ímãs comuns, mas através do tempo.
Em outras palavras, os átomos poderiam preferir estados diferentes em intervalos diferentes no tempo?
Avançando rapidamente alguns anos, e pesquisadores americanos e japoneses mostraram que isso poderia ser possível, com um grande ajuste à proposta de Wilczek – a fim de obter cristais de tempo lançando seus estados repetidamente, eles precisavam ser dadas um “empurrão” cada de vez em quando.
Em janeiro deste ano , Norman Yao descreveu como esse sistema poderia ser construído , descrevendo-o a Elizabeth Gibney na Nature como um tipo “mais fraco” de violação de simetria do que Wilczek imaginara.
“É como brincar com uma corda de salto, e de alguma forma nosso braço gira em torno duas vezes, mas a corda só vai ao redor uma vez”, diz ele , acrescentando que, na versão de Wilczek, a corda oscilaria por si só.
“É menos estranho do que a primeira idéia, mas ainda estranho demais.”
Duas equipes separadas de pesquisadores , uma liderada pela Universidade de Maryland, e outra pela Universidade de Harvard, tomaram este projeto e correram com ele, criando duas versões diferentes de um cristal de tempo que parecia igualmente viável.
“Ambos os sistemas são muito legais, eles são muito diferentes, mas acho que eles são extremamente complementares”, disse Yao ao Gizmodo .
“Eu não acho que um é melhor do que o outro. Eles olham para dois regimes diferentes da física.O fato de você estar vendo esta fenomenologia semelhante em sistemas muito diferentes é realmente incrível.”
Descrito em documentos pré-impressos em janeiro , os cristais de tempo da Universidade de Maryland foram criados por uma linha de 10 íons de itérbio, todos com rotações de elétron emaranhadas.
Chris Monroe, Universidade de Maryland
Como Fiona MacDonald relatou para nós na época:
“A chave para transformar esse set-up em um cristal de tempo foi para manter os íons fora do equilíbrio, e para fazer isso os pesquisadores alternadamente bateu os íons com dois lasers. Um laser criou um campo magnético e o segundo laser, parcialmente invertido, criou os giros dps átomos “.
Como as voltas dos átomos estavam emaranhados, os átomos se estabeleceram em um padrão estável e repetitivo de rotação que define um cristal, mas fez algo realmente estranho para se tornar um cristal de tempo – o padrão de spin-flipping no sistema repetiu apenas metade – Tão rápido quanto os pulsos do laser.
“Não seria super estranho se você agitou o Jell-O e descobriu que de alguma forma ele respondeu em um período diferente?” Yao explicou.
O cristal de tempo de Harvard usou diamantes que tinham sido carregados com tantas impurezas de nitrogênio, eles ficaram pretos .
O diamante de Harvard.Crédito: Georg Kucsko
A rotação dessas impurezas foi capaz de ser virada para frente e para trás como a rotação dos iões de itérbio na experiência de Maryland.
Foi um momento emocionante para a física, mas agora as coisas são finalmente oficiais, porque ambos os experimentos passaram por revisão pelos pares e agora aparecem em documentos separados na Nature, aqui e aqui .
E agora que sabemos que essas coisas existem, é hora de fazer mais delas e usá-las.
Uma das aplicações mais promissoras para os cristais de tempo é a computação quântica – eles poderiam permitir que os físicos criassem sistemas quânticos estáveis em temperaturas muito mais altas do que podem ser alcançadas agora, e isso pode ser o impulso que precisamos para finalmente tornar a computação quântica uma realidade .
Nós não podemos esperar para ver onde a pesquisa vai levar a seguir.
Via
GRUPO BEC . 9 de março de 2017
