Em constante movimento, sem consumir energia
Há vários meses, fala-se que os pesquisadores conseguiram criar cristais do tempo - cristais estranhos cuja estrutura atômica se repete não só no espaço, mas também no tempo, o que significa que estão em constante movimento, sem gasto de energia.
Agora foi oficialmente confirmado: pesquisadores só recentemente revelaram em detalhes como criar e medir esses cristais estranhos. E dois grupos independentes de cientistas afirmam que realmente conseguiram criar cristais de tempo em laboratório, usando as instruções fornecidas, confirmando assim a existência de um tipo completamente novo de matéria.
A descoberta pode parecer completamente abstrata, mas anuncia o início de uma nova era na física, pois por muitas décadas estudamos apenas a matéria, que, por definição, estava "em equilíbrio": metais e isolantes.
Mas houve sugestões sobre a existência no Universo de uma variedade de estranhos tipos de matéria que não estão em equilíbrio e que ainda nem começamos a estudar, incluindo os cristais do tempo. Agora sabemos que isso não é ficção.
O próprio fato de que agora temos o primeiro exemplo de matéria "não equilibrada" pode levar a um avanço em nossa compreensão do mundo ao nosso redor, bem como de tecnologias como a computação quântica.
“Este é um novo tipo de assunto, ponto final. Mas também é legal que este seja um dos primeiros exemplos de matéria de 'não-equilíbrio'”, diz o pesquisador Norman Yao, da Universidade da Califórnia, Berkeley.
“Durante toda a segunda metade do século passado, estudamos matérias em equilíbrio, como metais e isolantes. E só agora entramos no território da matéria de 'desequilíbrio'."
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Mas vamos fazer uma pausa e olhar para trás, o conceito de cristais de tempo existe há vários anos.
Eles foram previstos pela primeira vez pelo teórico da física ganhador do Nobel Frank Wilczek em 2012. Os cristais de tempo são estruturas que parecem estar em movimento mesmo com o menor nível de energia conhecido como estado fundamental ou estado de repouso.
Normalmente, se a matéria está no estado fundamental, também conhecido como estado de energia zero do sistema, isso significa que o movimento é teoricamente impossível, pois requer energia.
Mas Wilczek argumentou que isso não se aplica aos cristais do tempo.
Em cristais comuns, a rede atômica é repetida no espaço, assim como a rede de carbono do diamante. Mas, como um rubi ou uma esmeralda, eles não se movem porque estão em equilíbrio em seu estado básico.
E nos cristais do tempo, a estrutura também se repete no tempo, não apenas no espaço. E, portanto, eles estão em movimento no estado básico.
Imagine gelatina. Se você cutucá-lo com o dedo, ele começará a vibrar. O mesmo acontece com os cristais do tempo, mas a grande diferença é que eles não requerem energia para se mover.
Um cristal de tempo é como uma gelatina em constante vibração em seu estado básico usual, e é isso que o torna um novo tipo de matéria - matéria "sem equilíbrio". Que simplesmente não consigo ficar parado.
Mas uma coisa é prever a existência de tais cristais, e outra bem diferente é realmente criá-los, que foi o que aconteceu nas pesquisas mais recentes.
Yao e sua equipe criaram um diagrama detalhado no qual descreveram em detalhes como criar e medir as características de um cristal de tempo e até mesmo prever quais deveriam ser as várias fases em torno de um cristal de tempo, em outras palavras, eles descreveram os equivalentes dos estados sólido, líquido e gasoso de um novo tipo de matéria.
Yao chamou o artigo publicado na Physical Review Letters de "uma ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental".
E isso não é especulação de forma alguma. Seguindo as instruções de Yao, dois grupos independentes - um da Universidade de Maryland e outro de Harvard - conseguiram criar seus próprios cristais de tempo.
Os resultados de ambos os estudos foram anunciados no final do ano passado em arXiv.org (aqui e aqui), e foram enviados a revistas especializadas para publicação. Yao é co-autor de ambos os artigos.
Enquanto esperamos pelas publicações, vale a pena permanecer céticos sobre as declarações. Mas o próprio fato de que dois grupos independentes conseguiram criar cristais de tempo usando o mesmo esquema em condições completamente diferentes parece promissor.
Na Universidade de Maryland, os cristais de tempo foram criados a partir de uma cadeia de 10 íons de itérbio, todos com spins de elétrons emaranhados.
A chave para transformar essa base em um cristal do tempo era manter os íons em desequilíbrio e, para isso, eles eram atingidos por sua vez por dois lasers. Um laser criou um campo magnético, o segundo laser desenrolou parcialmente os spins dos átomos.
Como os spins dos átomos estavam inicialmente emaranhados, eles logo entraram no padrão de rotação-rotação estável e repetitivo que define o cristal.
Isso era normal, mas para se tornar um cristal do tempo, o sistema precisava quebrar a simetria no tempo. Ao observar a cadeia de átomos de itérbio, os pesquisadores notaram algo incomum.
Dois lasers, atingindo periodicamente átomos de itérbio, causavam uma repetição no sistema com um período de duas vezes o período dos 'choques', que era exatamente o que não poderia ocorrer em um sistema normal.
“Não seria muito estranho se você cutucasse gelatina e descobrisse que ela reage a diferentes períodos de tempo?” - explica Yao.
“Mas essa é a natureza do cristal do tempo. Você tem algum tipo de patógeno com um período de T, mas o sistema está de alguma forma sincronizado, e você observa seu movimento com um período que excede T."
Dependendo do campo magnético e da pulsação do laser, o cristal de tempo pode então mudar sua fase, como um cubo derretido.
Crystal de Harvard era diferente. Os pesquisadores o criaram usando centros densos de vacância de nitrogênio no diamante, mas obtiveram o mesmo resultado.
“Esses resultados semelhantes de dois sistemas muito diferentes confirmam que os cristais de tempo são uma forma difundida de matéria, e não uma característica curiosa que só é observada em um sistema pequeno e especial”, explica Phil Rifermey da Universidade de Indiana em um estudo relacionado. nota de trabalho, ele não participou do estudo, mas revisou o artigo.
"A observação desse único cristal do tempo … confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em todas as áreas da natureza, e isso abre novas áreas de pesquisa."
O diagrama de Yao foi publicado na Physical Review Letters, e você pode ler um artigo de Harvard sobre cristais do tempo aqui, e um artigo da Universidade de Maryland aqui.
