Algumas das previsões mais profundas da física teórica, como as ondas gravitacionais de Einstein ou o bóson de Higgs, levaram décadas para provar com experimentos. Mas de vez em quando, uma previsão pode se tornar um fato estabelecido em um tempo surpreendentemente curto. Foi o que aconteceu com os "cristais do tempo", um novo e estranho estado da matéria que foi teorizado, refutado, renovado e finalmente criado em apenas cinco anos, desde que foi previsto pela primeira vez em 2012.

Cristais, como diamante e quartzo, são feitos de átomos dispostos em um padrão repetitivo no espaço. Nestes novos cristais, átomos também seguem um padrão de repetição, mas com o tempo. Por causa dessa propriedade estranha, os cristais do tempo podem um dia encontrar aplicações em tecnologias revolucionárias como a computação quântica.

A história dos cristais do tempo começa em 2012 com o vencedor do Prêmio Nobel Frank Wilczek do MIT. Como físico teórico e matemático, Wilczek deu um passo crucial na transferência de uma propriedade-chave dos cristais regulares - chamada de quebra de simetria - para criar a ideia de cristais de tempo.

Para entender o que é quebra de simetria, pense em água líquida. Em uma gota de água, as moléculas são livres para se mover e podem estar em qualquer lugar dentro do líquido. O líquido parece o mesmo em qualquer direção, o que significa que tem um alto grau de simetria. Se a água congelar e formar gelo, forças de atração entre as moléculas as forçam a se reorganizar em um cristal, onde as moléculas são espaçadas em intervalos regulares. Mas essa regularidade significa que o cristal não é tão simétrico quanto o líquido, então dizemos que a simetria do líquido foi quebrada ao congelar em gelo.

A quebra de simetria é um dos conceitos mais profundos da física. Está por trás da formação de cristais, mas também aparece em muitos outros processos fundamentais. Por exemplo, o famoso mecanismo de Higgs, que explica como as partículas subatômicas adquirem massa, é um processo de quebra de simetria.

Em 2012, Wilczek teve uma ideia tentadora. Ele se perguntou se, da mesma forma que um cristal quebra a simetria no espaço, seria possível criar um cristal quebrando uma simetria equivalente no tempo. Esta foi a primeira vez que a ideia de um cristal de tempo foi teorizada.

Tal objeto teria uma regularidade de tempo intrínseca, equivalente ao padrão regular do cristal no espaço. Por um tempo, cristal, o padrão seria uma mudança contínua para frente e para trás em uma de suas propriedades físicas, uma espécie de batimento cardíaco que se repete para sempre, um pouco como uma máquina de movimento perpétuo.

Máquinas de movimento perpétuo, que são máquinas que podem funcionar indefinidamente sem uma fonte de energia, são proibidos pelas leis da física. Wilczek reconheceu essa estranheza de sua teoria do cristal de tempo e, em 2015, outro grupo de físicos teóricos mostrou que um cristal de movimento perpétuo seria de fato impossível.

Mas este não foi o fim da história. Em 2016, uma nova pesquisa mostrou que os cristais de tempo ainda podem existir em teoria, mas apenas se houvesse alguma força motriz externa. A ideia era que a regularidade do tempo estaria de alguma forma dormente, escondido da vista, e que adicionar um pouco de energia o traria à vida e o revelaria. Isso resolveu o paradoxo do movimento perpétuo, e trouxe novas esperanças para a existência de cristais de tempo.

Então, no verão de 2016, as condições para criar e observar cristais de tempo foram apresentadas em um artigo no repositório online arXiv, e posteriormente publicado na revista Physical Review Letters. Os pesquisadores estudaram como uma propriedade especial das partículas conhecidas como spin quântico pode ser revertida repetidamente por uma força externa em intervalos regulares. Eles previram que se fizessem isso com um conjunto de partículas, as interações entre as partículas produziriam suas próprias oscilações no spin, criando um cristal de tempo "dirigido".

Em questão de meses, dois grupos experimentais diferentes aceitaram o desafio de criar os cristais de tempo em laboratório. Uma das equipes disparou pulsos de laser em uma seqüência de átomos de itérbio que produziu oscilações nas propriedades dos átomos, em intervalos diferentes dos pulsos. Isso significava que os átomos de itérbio estavam se comportando como um cristal de tempo.

A outra equipe se concentrou em um sistema totalmente diferente, consistindo de impurezas em um cristal de diamante. Eles usaram microondas para perturbar as impurezas em intervalos bem definidos, e observou o mesmo tipo de oscilações de cristal de tempo que a primeira equipe. Afinal, cristais de tempo foram criados e as principais idéias de Wilczek provaram ser verdadeiras.

Futuro de cristal

A previsão, realização e descoberta dos cristais do tempo abrem um novo capítulo na mecânica quântica, com perguntas sobre as propriedades desse estado recém-descoberto da matéria e se os cristais de tempo podem ocorrer na natureza.

As propriedades de quebra de simetria dos cristais comuns levaram à criação de metamateriais fonônicos e fotônicos, materiais deliberadamente projetados que controlam seletivamente vibrações acústicas e luz que podem ser usados ​​para aumentar o desempenho de próteses, ou para aumentar a eficiência de lasers e fibras ópticas. Assim, as propriedades de quebra de simetria do tempo dos cristais do tempo provavelmente encontrarão seu caminho para campos igualmente novos, como crono-metamateriais para computação quântica, que usa as propriedades inerentes dos átomos para armazenar e processar dados.

A história dos cristais do tempo começou com uma bela ideia de um físico teórico, e agora culminou seu primeiro capítulo com evidências experimentais conclusivas depois de meros cinco anos. Longe de chegar ao fim enquanto os cientistas provam suas grandes teorias, parece que a física está mais viva do que nunca.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.