Os físicos de Harvard criaram uma nova forma de matéria - apelidada de cristal de tempo - que pode oferecer importantes insights sobre o misterioso comportamento dos sistemas quânticos.

Tradicionalmente falando, cristais - como sal, açúcar ou mesmo diamantes - são simplesmente arranjos periódicos de átomos em uma rede tridimensional.

Cristais de tempo, por outro lado, pegue essa noção de átomos organizados periodicamente e adicione uma quarta dimensão, sugerindo que - sob certas condições - os átomos que alguns materiais podem exibir estrutura periódica ao longo do tempo.

Liderado pelos professores de física Mikhail Lukin e Eugene Demler, uma equipe formada pelos pós-doutorandos Renate Landig e Georg Kucsko, Companheira Júnior Vedika Khemani, e alunos de graduação do Departamento de Física Soonwon Choi, Joonhee Choi e Hengyun Zhou construíram um sistema quântico usando um pequeno pedaço de diamante embutido com milhões de impurezas em escala atômica conhecidas como centros de vacância de nitrogênio (NV). Eles então usaram pulsos de microondas para "chutar" o sistema fora de equilíbrio, fazendo com que os giros do centro NV mudem em intervalos precisamente cronometrados - um dos marcadores-chave de um cristal de tempo. O trabalho é descrito em artigo publicado em Natureza em março.

Outros co-autores do estudo são Junichi Isoya, Shinobu Onoda, e Hitoshi Sumiya da Universidade de Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute e Sumitomo, Fedor Jelezko da Universidade de Ulm, Curt von Keyserlingk da Universidade de Princeton e Norman Y. Yao da UC Berkeley.

Mas a criação de um cristal de tempo não é significativa apenas porque prova que os materiais anteriormente apenas teóricos podem existir, Lukin disse, mas porque eles oferecem aos físicos uma janela tentadora para o comportamento de tais sistemas fora de equilíbrio.

"Agora é amplo, trabalho em andamento para compreender a física de sistemas quânticos de desequilíbrio, "Disse Lukin." Esta é uma área de interesse para muitas tecnologias quânticas, porque um computador quântico é basicamente um sistema quântico que está longe do equilíbrio. Está muito na fronteira da pesquisa ... e nós estamos apenas arranhando a superfície. "

Mas, embora a compreensão de tais sistemas sem equilíbrio possa ajudar a conduzir os pesquisadores no caminho da computação quântica, a tecnologia por trás dos cristais de tempo também pode ter mais aplicações de curto prazo.

"Uma área específica em que achamos que isso pode ser útil, e esta foi uma das nossas motivações originais para este trabalho, está na medição de precisão, "Lukin disse." Acontece que, se você está tentando construir ... por exemplo, um sensor de campo magnético, você pode usar giros NV-center, "disse ele." Portanto, é possível que esses estados de desequilíbrio da matéria que criamos possam vir a ser úteis. "

A noção de que tais sistemas podem ser construídos, Contudo, inicialmente parecia improvável. Na verdade, vários pesquisadores (os nomes são Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) chegou ao ponto de provar que seria impossível criar um cristal de tempo em um sistema quântico que estivesse em equilíbrio.

"A maioria das coisas ao nosso redor estão em equilíbrio, "Lukin explicou." Isso significa que se você tem um corpo quente e um corpo frio, se você os juntar, sua temperatura se igualará. Mas nem todos os sistemas são assim. "

Um dos exemplos mais comuns de um material que está fora de equilíbrio, ele disse, é algo que muitas pessoas usam diariamente - diamante.

Uma forma cristalizada de carbono que se forma sob intenso calor e pressão, diamante é incomum porque é metaestável, o que significa que, uma vez que adota essa formação de cristal, vai ficar assim, mesmo depois que o calor e a pressão são removidos.

Só muito recentemente, Lukin disse, que os pesquisadores começaram a perceber que os sistemas de não equilíbrio - particularmente aqueles conhecidos como sistemas "dirigidos", que os pesquisadores podem "chutar" com pulsos de energia periódicos, pode exibir as características de um cristal de tempo.

Uma dessas características, ele disse, é que a resposta do cristal ao longo do tempo permanecerá robusta em relação às perturbações.

"Um cristal sólido é rígido ... então, se você empurrá-lo, talvez a distância entre os átomos mude um pouco, mas o próprio cristal sobrevive, "disse ele." A ideia de um cristal de tempo é ter esse tipo de ordem em um domínio de tempo, mas deve ser robusto. "

Um outro ingrediente importante é, normalmente, se você continuar empurrando um sistema para longe do equilíbrio, ele começa a esquentar, mas acontece que existe uma classe de sistemas que são resistentes a este aquecimento, "Lukin acrescentou." Acontece que o efeito do cristal de tempo está fortemente relacionado com a ideia de que um sistema é excitado, mas não absorve energia. "

Para construir tal sistema, Lukin e seus colegas começaram com um pequeno pedaço de diamante incrustado com tantos centros NV que parecia preto.

"Sujeitamos esse diamante a pulsos de microondas, que mudam a orientação dos spins dos centros NV, "Lukin explicou." Isso basicamente pega todas as rotações apontadas para cima e diminui-as, e um próximo pulso os faz subir de novo. "

Para testar a robustez do sistema, Lukin e seus colegas variaram o tempo dos pulsos para ver se o material continuaria a responder como um cristal de tempo.

"Se você não orientar todas as rotações totalmente para cima ou para baixo a cada vez, então, muito rapidamente, você vai acabar com um sistema completamente aleatório, "Lukin disse." Mas as interações entre os centros NV estabilizam a resposta:eles forçam o sistema a responder em um período, tempo de maneira cristalina. "

Tais sistemas podem, em última análise, ser críticos no desenvolvimento de computadores quânticos úteis e sensores quânticos, Lukin disse, porque eles demonstram que dois componentes críticos - longos tempos de memória quântica e uma densidade muito alta de bits quânticos - não são mutuamente exclusivos.

"Para muitos aplicativos, você deseja ambos, "Lukin disse." Mas esses dois requisitos são geralmente contraditórios ... este é um problema bem conhecido. O presente trabalho mostra que podemos alcançar a combinação desejada. Ainda há muito trabalho a ser feito, mas acreditamos que esses efeitos podem nos permitir criar uma nova geração de sensores quânticos, e poderia, a longo prazo, ter outras aplicações para coisas como relógios atômicos. "