Cristais normais, gosta de diamante, são uma rede atômica que se repete no espaço, mas os físicos recentemente sugeriram fazer materiais que se repetem no tempo. Ano passado, Norman Yao, da UC Berkeley, esboçou as fases em torno de um cristal de tempo e o que medir para confirmar que esse novo material é na verdade uma fase estável da matéria. Isso estimulou duas equipes a construir um cristal de tempo, os primeiros exemplos de uma forma de matéria sem equilíbrio.

Para a maioria das pessoas, cristais significam brilho de diamante, gemas semipreciosas ou talvez a ametista denteada ou cristais de quartzo amados por colecionadores.

Para Norman Yao, esses cristais inertes são a ponta do iceberg.

Se os cristais têm uma estrutura atômica que se repete no espaço, como a rede de carbono de um diamante, por que os cristais também não podem ter uma estrutura que se repete no tempo? Isso é, um cristal de tempo?

Em um artigo publicado online na semana passada na revista Cartas de revisão física , a Universidade da Califórnia, O professor assistente de física de Berkeley descreve exatamente como fazer e medir as propriedades de tal cristal, e até prevê quais devem ser as várias fases em torno do cristal de tempo - semelhantes às fases líquida e gasosa do gelo.

Isso não é mera especulação. Dois grupos seguiram o projeto de Yao e já criaram os cristais inéditos. Os grupos da Universidade de Maryland e da Universidade de Harvard relataram seus sucessos, usando duas configurações totalmente diferentes, em artigos postados online no ano passado, e enviaram os resultados para publicação. Yao é co-autor de ambos os artigos.

Os cristais de tempo se repetem no tempo porque são chutados periodicamente, tipo de tocar Jell-O repetidamente para fazê-lo balançar, Yao disse. O grande avanço, ele discute, é menos que esses cristais particulares se repitam no tempo do que eles são os primeiros de uma grande classe de novos materiais que estão intrinsecamente fora de equilíbrio, incapaz de estabelecer o equilíbrio imóvel de, por exemplo, um diamante ou rubi.

“Esta é uma nova fase da matéria, período, mas também é muito legal porque é um dos primeiros exemplos de matéria fora de equilíbrio, "Yao disse." Durante o último meio século, temos explorado a matéria de equilíbrio, como metais e isoladores. Estamos apenas começando a explorar toda uma nova paisagem de matéria fora de equilíbrio. "

Embora seja difícil imaginar o uso de um cristal de tempo para Yao, outras fases propostas de matéria fora de equilíbrio teoricamente prometem como memórias quase perfeitas e podem ser úteis em computadores quânticos.

Uma cadeia de itérbio

O cristal de tempo criado por Chris Monroe e seus colegas da Universidade de Maryland emprega uma linha de conga de 10 íons de itérbio cujos spins de elétrons interagem, semelhante aos sistemas qubit testados como computadores quânticos. Para manter os íons fora de equilíbrio, os pesquisadores os atingiram alternadamente com um laser para criar um campo magnético efetivo e um segundo laser para inverter parcialmente os spins dos átomos, repetindo a sequência muitas vezes. Porque os giros interagiram, os átomos se acomodaram em um estábulo, padrão repetitivo de rotação que define um cristal.

Os cristais de tempo foram propostos pela primeira vez em 2012 pelo ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek, e, no ano passado, físicos teóricos da Universidade de Princeton e da Estação Q da UC Santa Bárbara provaram independentemente que tal cristal poderia ser feito. De acordo com Yao, o grupo da UC Berkeley foi "a ponte entre a ideia teórica e a implementação experimental".

Da perspectiva da mecânica quântica, elétrons podem formar cristais que não correspondem à simetria de translação espacial subjacente do ordenado, matriz tridimensional de átomos, Yao disse. Isso quebra a simetria do material e leva a propriedades únicas e estáveis ​​que definimos como um cristal.

Um cristal do tempo quebra a simetria do tempo. Neste caso particular, o campo magnético e o laser que acionam periodicamente os átomos de itérbio produzem uma repetição no sistema duas vezes maior que o período dos drivers, algo que não ocorreria em um sistema normal.

"Não seria muito estranho se você sacudisse a gelatina e descobrisse que de alguma forma ela respondeu em um período diferente?" Yao disse. "Mas essa é a essência do cristal de tempo. Você tem algum driver periódico que tem um período 'T', mas o sistema de alguma forma sincroniza para que você observe o sistema oscilando com um período maior do que 'T'. "

Yao trabalhou em estreita colaboração com Monroe enquanto sua equipe de Maryland fazia o novo material, ajudando-os a se concentrar nas propriedades importantes a serem medidas para confirmar se o material era de fato um cristal de tempo estável ou rígido. Yao também descreveu como o cristal do tempo mudaria de fase, como um cubo de gelo derretendo, sob diferentes campos magnéticos e pulsação de laser.

A equipe de Harvard, liderado por Mikhail Lukin, configurar seu cristal de tempo usando centros de vacância de nitrogênio densamente compactados em diamantes.

"Esses resultados semelhantes obtidos em dois sistemas totalmente díspares ressaltam que os cristais de tempo são uma ampla nova fase da matéria, não simplesmente uma curiosidade relegada a sistemas pequenos ou estreitamente específicos, "escreveu Phil Richerme, da Universidade de Indiana, em uma peça em perspectiva que acompanha o artigo publicado na Physical Review Letters. "A observação do cristal de tempo discreto ... confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em essencialmente todos os reinos naturais, e abre o caminho para vários novos caminhos de pesquisa. "

Yao está continuando seu próprio trabalho sobre cristais de tempo enquanto explora a teoria por trás de outros materiais novos, mas ainda não realizados, sem equilíbrio.