Cristais de tempo podem soar como algo de ficção científica, tendo mais a ver com viagem no tempo ou Dr. Who. Esses materiais estranhos - em que átomos e moléculas estão dispostos ao longo do espaço e do tempo - são na verdade bastante reais, e estão abrindo maneiras inteiramente novas de pensar sobre a natureza da matéria. Eles também podem eventualmente ajudar a proteger informações em dispositivos futurísticos conhecidos como computadores quânticos.

Dois grupos de pesquisadores baseados na Harvard University e na University of Maryland relatam no jornal 9 de março Natureza que eles criaram cristais de tempo com sucesso usando teorias desenvolvidas na Universidade de Princeton. A equipe baseada em Harvard incluiu cientistas de Princeton que desempenharam papéis fundamentais na elaboração da compreensão teórica que levou à criação desses cristais exóticos.

"Nosso trabalho descobriu a física essencial de como funcionam os cristais de tempo, "disse Shivaji Sondhi, um professor de física de Princeton. "O que é mais, esta descoberta se baseia em um conjunto de desenvolvimentos em Princeton que aborda a questão de como entendemos sistemas complexos dentro e fora do equilíbrio, que é fundamentalmente importante para como os físicos explicam a natureza do mundo cotidiano. "

Em 2015, Sondhi e colegas, incluindo a então estudante de graduação Vedika Khemani, que obteve seu Ph.D. em Princeton em 2016 e agora é bolsista júnior em Harvard, bem como os colaboradores Achilleas Lazarides e Roderich Moessner no Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha, publicou a base teórica de como os cristais de tempo - inicialmente considerados impossíveis - poderiam realmente existir. Publicado no jornal Cartas de revisão de física em junho de 2016, o jornal estimulou conversas sobre como construir esses cristais.

Cristais comuns, como diamantes, quartzo ou gelo são feitos de moléculas que se organizam espontaneamente em padrões tridimensionais ordenados. Os átomos de sódio e cloro em um cristal de sal, por exemplo, são espaçados em intervalos regulares, formando uma rede hexagonal.

Com o tempo, cristais, Contudo, átomos são organizados em padrões não apenas no espaço, mas também com o tempo. Além de conter um padrão que se repete no espaço, os cristais do tempo contêm um padrão que se repete ao longo do tempo. Uma maneira de isso acontecer é que os átomos no cristal se movem a uma determinada taxa. Se um cristal de gelo existisse, todas as moléculas de água vibrariam em uma frequência idêntica. O que é mais, as moléculas fariam isso sem nenhuma entrada do mundo externo.

O conceito de cristais de tempo se originou com o físico Frank Wilczek do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Em 2012, o ganhador do Nobel e ex-membro do corpo docente de Princeton estava pensando nas semelhanças entre espaço e tempo. Na linguagem da física, dizem que os cristais "quebram a simetria translacional no espaço" porque os átomos se agrupam em padrões rígidos em vez de se espalharem uniformemente, como eles estão em um líquido ou gás. Não deveria haver também cristais que quebram a simetria translacional no tempo?

"Os átomos se movem no tempo, mas em vez de se mover de forma fluida ou contínua, eles se movem de forma periódica, "Sondhi disse." Foi uma ideia interessante. "Também foi uma ideia que levou a debates acalorados nas revistas de física sobre se tais cristais poderiam existir. A conclusão inicial parecia ser que eles não poderiam, pelo menos não nas configurações que Wilczek visualizou.

Sondhi e Khemani estavam pensando em um problema completamente diferente em 2015 quando elaboraram a teoria de como os cristais de tempo poderiam existir. Eles estavam explorando questões sobre como átomos e moléculas se acomodam, ou chegar ao equilíbrio, para formar fases da matéria, como sólidos, líquidos e gases.

Embora fosse senso comum entre os físicos que todos os sistemas eventualmente se acomodassem, trabalho durante a última década ou então desafiou essa noção, especificamente entre átomos em temperaturas muito baixas, onde se aplicam as regras da física quântica. Percebeu-se que existem sistemas que nunca chegam ao equilíbrio devido a um fenômeno denominado "localização de muitos corpos, "que ocorre devido ao comportamento de muitos átomos em um sistema quântico desordenado que estão influenciando uns aos outros.

O trabalho nesta área é uma longa tradição de Princeton. O primeiro e seminal conceito de como os sistemas quânticos podem ser localizados quando estão desordenados, chamada localização de Anderson, derivado do trabalho de Philip Anderson, um professor de Princeton e ganhador do Nobel, em 1958. Este trabalho foi estendido em 2006 a sistemas de muitos átomos pelo então professor de Princeton Boris Altshuler, pós-doutorado Denis Basko, e Igor Aleiner, da Columbia University.

Durante um período sabático no Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha, Sondhi e Khemani perceberam que essas idéias sobre como evitar que os sistemas atinjam o equilíbrio permitiriam a criação de cristais de tempo. Um sistema em equilíbrio não pode ser um cristal de tempo, mas sistemas fora de equilíbrio podem ser criados cutucando periodicamente, ou "dirigindo, "um cristal ao lançar um laser sobre seus átomos. Para a surpresa dos pesquisadores, seus cálculos revelaram que periodicamente cutucando átomos que estavam em fases localizadas de muitos corpos fora de equilíbrio faria com que os átomos se movessem a uma taxa duas vezes mais lenta - ou duas vezes o período - que a taxa inicial em que foram estimulados.

Explicar, Sondhi comparou a condução do sistema quântico a apertar periodicamente uma esponja. "Quando você solta a esponja, você espera que ele retome sua forma. Imagine agora que ele só retoma sua forma a cada segundo aperto, mesmo que você aplique a mesma força a cada vez. Isso é o que nosso sistema faz, " ele disse.

Curt von Keyserlingk, pesquisador de pós-doutorado em Princeton, que contribuiu com trabalho teórico adicional com Khemani e Sondhi, disse, "Explicamos como os sistemas de cristal de tempo se prendem às oscilações persistentes que significam uma quebra espontânea da simetria da tradução do tempo." Trabalhos adicionais de pesquisadores da Station Q da Microsoft e da University of California-Berkeley levaram a uma maior compreensão dos cristais do tempo.

Como resultado desses estudos teóricos, dois grupos de experimentadores começaram a tentar construir cristais de tempo em laboratório. A equipe baseada em Harvard, que incluiu Khemani em Harvard e von Keyserlingk em Princeton, usou uma configuração experimental que envolveu a criação de uma rede artificial em um diamante sintético. Uma abordagem diferente na Universidade de Maryland usou uma cadeia de partículas carregadas chamadas íons de itérbio. Ambas as equipes já publicaram o trabalho esta semana em Natureza .

Ambos os sistemas mostram o surgimento do comportamento cristalino do tempo, disse Christopher Monroe, um físico que liderou o esforço na Universidade de Maryland. "Embora todas as aplicações para este trabalho estejam em um futuro distante, esses experimentos nos ajudam a aprender algo sobre o funcionamento interno deste estado quântico muito complexo, " ele disse.

A pesquisa pode eventualmente levar a ideias sobre como proteger as informações em computadores quânticos, que pode ser interrompido pela interferência do mundo exterior. A localização de muitos corpos pode proteger as informações quânticas, de acordo com uma pesquisa publicada em 2013 pela equipe de Princeton de David Huse, o professor de física Cyrus Fogg Brackett, bem como Sondhi e colegas Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan e Arijeet Pal. A pesquisa também lança luz sobre maneiras de proteger as fases topológicas da matéria, pesquisa para a qual F. Duncan Haldane de Princeton, o professor de física Eugene Higgins, compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2016.

Sondhi disse que o trabalho aborda algumas das questões mais fundamentais sobre a natureza da matéria. “Pensava-se que se um sistema não se estabilizasse e chegasse ao equilíbrio, você não poderia realmente dizer que está em uma fase. É muito importante quando você pode dar uma definição de uma fase da matéria quando a matéria não está em equilíbrio, " ele disse.

Este cenário fora de equilíbrio permitiu a realização de novas e excitantes fases da matéria, de acordo com Khemani. "A criação de cristais de tempo nos permitiu adicionar uma entrada no catálogo de pedidos possíveis no espaço-tempo, anteriormente considerado impossível, "Khemani disse.

Os artigos "Observação de uma ordem cristalina discreta no tempo em um sistema dipolar desordenado de muitos corpos" e "Observação de um cristal de tempo discreto" foram publicados em 9 de março por Natureza .