Físicos descobrem novo tipo misterioso de cristal do tempo

No entanto, a ordem também pode aparecer de uma forma muito mais surpreendente – por si só, sem qualquer temporizador externo. Quando inúmeras partículas interagem de maneiras complexas, elas podem cair espontaneamente em um ritmo repetitivo, em vez de se comportarem de forma caótica. Este fenômeno é conhecido como “cristal do tempo”. Pesquisadores da TU Wien (Viena) demonstraram agora que os cristais do tempo podem se formar através de um mecanismo totalmente diferente daquele que os cientistas acreditavam ser possível. Os seus cálculos revelam que as correlações quânticas entre partículas, que antes se pensava perturbarem estes padrões, podem de facto ajudar a estabilizá-los. A descoberta oferece uma perspectiva nova e surpreendente sobre como os comportamentos coletivos emergem em sistemas quânticos de muitas partículas.

Cristais espaciais e cristais temporais

Quando um líquido congela, suas partículas passam da desordem para a ordem. No estado líquido, as partículas se movem livre e aleatoriamente, sem apresentar nenhum padrão particular. À medida que o líquido solidifica, as partículas fixam-se em posições precisas, formando uma estrutura espacial regular e repetitiva – um cristal. Um líquido é uniforme em todas as direções, mas no cristal essa simetria quebra: ganha estrutura, com certas direções tornando-se distintas de outras.

Um tipo semelhante de quebra de simetria pode acontecer ao longo do tempo e não no espaço? Poderia um sistema quântico que inicialmente se comporta de forma idêntica a cada momento desenvolver espontaneamente um padrão temporal repetitivo – um ritmo que marca o surgimento da ordem no próprio tempo?

Flutuações quânticas: prejudiciais ou úteis?

“Esta questão tem sido objeto de intensa pesquisa em física quântica há mais de dez anos”, diz Felix Russo, do Instituto de Física Teórica da TU Wien, que está conduzindo pesquisas para sua tese de doutorado na equipe do Prof. Na verdade, foi demonstrado que os chamados cristais de tempo são possíveis – sistemas nos quais um ritmo temporal é estabelecido sem que a batida seja imposta de fora.

“No entanto, pensava-se que isso só seria possível em sistemas muito específicos, como os gases quânticos, cuja física pode ser bem descrita por valores médios sem ter que levar em conta as flutuações aleatórias que são inevitáveis ​​na física quântica”, diz Felix Russo. “Mostramos agora que são precisamente as correlações físicas quânticas entre as partículas, que anteriormente se pensava que impediam a formação de cristais do tempo, que podem levar ao surgimento de fases cristalinas do tempo.”

As complexas interacções quânticas entre as partículas induzem um comportamento colectivo que não pode ser explicado ao nível das partículas individuais – semelhante à forma como o fumo de uma vela apagada pode por vezes formar uma série regular de anéis de fumo; um fenômeno cujo ritmo não é ditado de fora e que não pode ser compreendido a partir de partículas isoladas de fumaça.

Partículas na rede do laser

“Estamos investigando uma rede bidimensional de partículas mantidas no lugar por raios laser”, diz Felix Russo. “E aqui podemos mostrar que o estado da rede começa a oscilar – devido à interação quântica entre as partículas”.

A pesquisa oferece a oportunidade de compreender melhor a teoria dos sistemas quânticos de muitos corpos – abrindo caminho para novas tecnologias quânticas ou técnicas de medição quântica de alta precisão.