Os cristais do tempo são reais, mas isso não significa que o tempo é cristalizado
O Harvard Diamond, criado por uma equipe liderada por Mikhail Lukin, tem tantas impurezas de nitrogênio que ficou preto. Este é um dos dois sistemas físicos independentes usados para criar um cristal do tempo. Crédito da imagem: Georg Kucsko.
Se você já ouviu falar sobre cristais do tempo, saiba que eles existem. Mas saiba o que eles significam.
Cada particular na natureza, uma folha, uma gota, um cristal, um momento do tempo está relacionado ao todo e participa da perfeição do todo.
– Ralph Waldo Emerson
Em 2012, o Prêmio Nobel Frank Wilczek propôs um novo estado da matéria que nunca havia sido teorizado antes: um cristal do tempo . A parte cristalina desse nome é algo com o qual nossa intuição e experiência combinam: uma rede repetitiva e rígida de átomos ou moléculas unidas em uma estrutura sólida e ordenada. Mas a parte do tempo não significa que é o próprio tempo que foi cristalizado. Em vez disso, significa que uma simetria fundamental da natureza – simetria de tradução do tempo – não é obedecida dentro do cristal.
Inicialmente, os cristais do tempo eram vistos apenas como uma curiosidade teórica, e assumidos como uma impossibilidade experimental. Teoremas foram publicados, provando sua impossibilidade. Mas foram descobertas brechas nos teoremas e surgiram ideias para criá-las. No ano passado, pela primeira vez, esses cristais foram criados em laboratório por dois grupos independentes. A incrível descoberta potencialmente abre caminho para Wilczek se tornar o primeiro teórico a ganhar dois prêmios Nobel de física.
Cristais normais repetem sua estrutura/configuração no espaço, como a estrutura cristalina do corindo, α-Al2O3. Mas um cristal do tempo repetiria seu estado quântico no tempo. Crédito da imagem: Ben Mills.
O primeiro Prêmio Nobel de Wilczek veio pela descoberta da liberdade assintótica: que dentro de um próton, quanto mais os quarks se aproximam, mais menor a força atrativa que os mantém juntos fica. Isso é contrário a todas as outras forças conhecidas, onde as forças aumentam em distâncias mais curtas. O trabalho de Wilczek foi pioneiro no entendimento da Força Nuclear Forte, no desenvolvimento da Cromodinâmica Quântica e na conclusão do Modelo Padrão.
A teoria da liberdade assintótica, descrevendo a força das interações dos quarks dentro de um núcleo, valeu um Prêmio Nobel para Wilczek, Politzer e Gross. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove.
Os principais avanços de Wilczek vieram no campo da física teórica de partículas e teorias quânticas de campo. Mas as teorias de campo quântico também se aplicam a sistemas de matéria condensada: sistemas com um grande número de partículas que exibem comportamentos quânticos intrincados. Existem graus de liberdade para qualquer sistema – maneiras pelas quais ele pode mudar ou ajustar – tanto clássico quanto quântico. A ideia de um cristal do tempo, tanto em clássico e quântico versões, é que ele deve repetir sua configuração, desde que permaneça em seu estado fundamental, periodicamente no tempo. Assim como um cristal normal repete seu padrão molecular/atômico configurado periodicamente no espaço, um cristal do tempo deve ter essa mesma propriedade, exceto pelo tempo.
Mesmo em seu estado fundamental, os elétrons ainda têm uma energia diferente de zero, o que significa que sempre haverá movimentos aleatórios ao longo do tempo. Crédito da imagem: Sparkyscience e AntiCompositeNumber.
Isso parece ser um problema, no entanto, para a física. Se você estiver se movendo de um estado para outro e depois voltar ao seu estado inicial, isso parece indicar algum tipo de movimento perpétuo, o que não deveria ser possível devido à conservação de energia. Na verdade, existe um teorema que proíbe esse comportamento para sistemas clássicos, e acredita-se que seja estritamente proibido para sistemas quânticos também.
Como se viu, porém, Norman Yao e sua equipe, em 2016, criaram um esquema em que a criação desses cristais do tempo realmente parecia possível. Em vez de um sistema fechado e constante, ele propôs tirar o sistema do equilíbrio. Ao conduzir o sistema externamente - tornando-o um sistema aberto em vez de fechado - ele percebeu que, pelo menos em teoria, havia algumas condições físicas sob as quais essa simetria de tradução de tempo poderia ser quebrada.
Diagrama de fase do cristal de tempo discreto em função da força de interação de Ising e imperfeições do pulso spin-eco. Crédito da imagem: Norman Y. Yao, Andrew C. Potter, Ionut-Dragos Potirniche, Ashvin Vishwanath.
As duas coisas que precisavam ser variadas no modelo de Yao eram a força de interação de Ising, que representa os momentos de dipolo dos spins atômicos (eixo x, acima), e as imperfeições do pulso spin-eco, que representam a condução externa do cristal ( eixo y, acima). Para certas classes de combinações, isso deve resultar em um cristal do tempo. O trabalho de Yao foi compartilhado pela primeira vez com o mundo em agosto de 2016 , e desde então foi testado por dois grupos: Mikhail Lukin em Harvard e Christopher Monroe na Universidade de Maryland. Ambos os grupos, ao que parece, foram capazes de criar com sucesso esses cristais do tempo em condições de laboratório.
O plano para criar um cristal do tempo: pegue um sistema emaranhado e conduza-o com um pulso giratório. Em algum múltiplo do período, você retornará ao mesmo estado inicial. Crédito da imagem: APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme.
O que significa dirigir um sistema? Isso significa que você envia um pulso spin-flip de uma força específica através do sistema. E o que você obtém é uma resposta periódica que é diretamente proporcional ao tempo em que você está pulsando o sistema. Este também não é um momento claro, mas sim uma surpresa, como o físico Douglas Natelson afirma:
Alcançar algum tipo de estado estacionário com periodicidade de tempo espontânea e falta de aquecimento descontrolado devido à física de interação de muitos corpos é bastante restritivo.
Curiosamente, você pode tornar a condução imperfeita de várias maneiras: alterando ligeiramente a magnitude do pulso, variando a frequência da pulsação etc. estado permanece rigidamente bloqueado.
Também é fascinante que os dois grupos tenham adotado abordagens muito diferentes para implementar o modelo de Yao, e ambos foram bem-sucedidos. O grupo de Monroe pegou uma linha unidimensional de íons de ítrio acoplados por suas interações eletrostáticas e descobriu que o sistema exibia oscilações de cristal de tempo com uma frequência de duas vezes o período de pulso, mesmo quando a condução era imperfeita. O de Lukin, por outro lado, pegou um milhão de impurezas de spin em um cristal de diamante e os pulsou com radiação de micro-ondas, que inverteu seus spins e encontrou oscilações de cristal de tempo em três vezes o período de pulso.
Dez átomos de ítrio com spins de elétrons emaranhados, usados para criar primeiro um cristal do tempo. Crédito da imagem: Chris Monroe, Universidade de Maryland.
Ainda assim, cristais de tempo como Wilczek originalmente os imaginou – em sistemas em equilíbrio térmico – realmente parecem impossíveis. Você tem que ter um sistema aberto, e o sistema precisa ser acionado em uma frequência periódica com imperfeições que não são muito grandes. Exagere e o cristal derreterá, perdendo as propriedades que o tornaram tão interessante de maneira periódica. Ainda não cristalizamos o tempo, e provavelmente nunca o faremos. Mas a capacidade de fazer um sistema, que quando tudo o que você faz é pulsar de uma maneira particular, retorna, periodicamente, a um estado uniforme repetidamente, é realmente notável.
A existência de cristais de tempo pode eventualmente ser aplicada a computadores quânticos, aumentando enormemente seu poder e potencialmente permitindo que sejam construídos em temperaturas muito mais altas do que hoje. Algum dia em um futuro não muito distante, pode haver uma divisão do Prêmio Nobel entre Wilczek, Yao, Lukin e Monroe. O único grande debate, se isso acontecer? Quem fica de fora. O Prêmio Nobel é limitado a três pessoas, no máximo, e esse é um debate que vai muito além de qualquer coisa que a ciência possa decidir.
Referência : Cristais de tempo discretos: rigidez, criticidade e realizações , N.Y. Yao, A.C. Potter, I.-D. Potirniche, e A. Vishwanath, Phys. Rev. Lett. 118, 030401.
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