Físicos confinam repetidamente, com laseres e campos magnéticos, um grupo de iões para criar o primeiro exemplo de um material em não-equilíbrio.
UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA – BERKELEY
Para a maioria das pessoas, os cristais significam formações em diamante, pedras preciosas, semi-preciosas ou talvez os cristais de ametista ou de quartzo irregulares amados pelos coleccionadores.
Para Norman Yao, estes cristais inertes são a ponta do icebergue.
Se os cristais têm uma estrutura atómica que se repete no espaço, como a malha de carbono de um diamante, será que os cristais também não têm uma estrutura que se repete no tempo? Ou seja, um Cristal de Tempo?
Num artigo publicado on-line na semana passada na revista Physical Review Letters, o Professor assistente de física da Universidade da Califórnia em Berkeley descreve exactamente como fazer e medir as propriedades dum tal cristal e chega mesmo a prever que as várias fases da matéria que cerca o cristal de tempo devem ser semelhantes às fases líquida e gasosa do gelo.
E isso não é uma mera especulação. Dois grupos seguiram o modelo de Yao e já criaram os primeiros cristais de tempo. Os grupos da Universidade de Maryland e da Universidade de Harvard relataram os seus sucessos, usando duas configurações totalmente diferentes, em artigos pubicados on-line no ano passado e apresentaram os resultados para publicação. Yao é co-autor em ambos os “papers.”
Os Cristais de Tempo repetem-se no tempo, porque são pontapeados periodicamente, como se estivéssemos a abanar repetidamente um pudim de gelatina para fazê-lo tremelicar, explicou Yao.
Descoberto um novo material.
O grande avanço, argumenta, não será o facto desses cristais particulares se repetirem no tempo mas que isso sim se descobriu o primeiro de uma grande classe de novos materiais que estão intrinsecamente fora de equilíbrio, incapazes de se estabelecer para o equilíbrio imóvel, por exemplo, dum diamante ou dum rubi.
Um investigador Muito Fixe.
“Esta é uma nova fase da matéria, ponto final, mas também é muito fixe porque é um dos primeiros exemplos da matéria em não equilíbrio”, declarou Yao. “Durante o último meio século, estivemos explorando a matéria de equilíbrio, como metais e isoladores, e agora estamos começando a explorar uma nova paisagem de matéria não-equilibrada”.
Enquanto que para Yao é difícil imaginar um uso para um cristal de tempo, outras fases propostas de matéria de não equilíbrio teoricamente mantêm a promessa de virem a ser memórias quase perfeitas e poderão ser úteis em computadores quânticos.
Happening artístico Clocked out, inspirado nos Cristais de Tempo.
Audible crystalography
Composers: Vanessa TomlinsonErik Griswold
Performers: Vanessa TomlinsonErik Griswold
Uma corrente de Itérbio.
O cristal de tempo criado por Chris Monroe e seus colegas na Universidade de Maryland emprega uma linha em série de 10 iões de ítérbio cujos electrões interagem, semelhante ao sistema de qubit que está a ser testado nos computadores quânticos. Para manter os iões fora de equilíbrio, os investigadores alternadamente atingiram-nos com um laser para gerar um campo magnético eficaz e com um segundo laser para inverter parcialmente os spins dos átomos, repetindo a sequência muitas vezes. Como os spins interagiram, os átomos estabeleceram-se no padrão estável e repetitivo de rotação giratória que define um cristal.
Seguindo as linhas projectadas no modelo do Físico Norman Yao, a equipa de investigação da Universidade de Maryland construiu o primeiro Cristal de Tempo com recurso a uma cadeia duma só dimensão (1-D) de iões de Itérbio. Cada ião exibe a propriedade intrínseca do spin dum electrão, e interage a longas distâncias como indicado pelas setas.
Créditos: Chris Monroe, University of Maryland.
Os cristais de tempo foram propostos plea primeira vez em 2012 pelo Premio Nobel Frank Wilczek, e os físicos teóricos do ano passado na universidade de Princeton e na estação Q de Santa Barbara CA provaram independentemente que tal cristal poderia ser feito. Segundo Yao, o grupo UC Berkeley era “a ponte entre a idéia teórica e a implementação experimental”.
A mecânica desta nova matéria é quântica.
Logo, os seus blocos constituintes obedecem a leis que não nos são intuitivas, são bizarras. Do ponto de vista da mecânica quântica, os electrões podem formar cristais que não correspondem à simetria de translação espacial subjacente à ordeira matriz tridimensional de átomos, exemplificou Yao. Isso quebra a simetria do material e leva a propriedades únicas e estáveis que definimos como um cristal não equilibrado.
Um cristal de tempo rompe a simetria do tempo. Neste caso particular, o campo magnético e o laser que dirigem periodicamente os átomos de itérbio produzem uma repetição no sistema de duas vezes o período dos impulsos, algo que não ocorreria num sistema normal.
Previsão teórica do Nobel Frank Wilczek sobre o objecto hipotético – uma nova forma da matéria chamada Cristais de Tempo.
Neste modelo duma simulação do padrão de difracção Laue um anel de partículas forma um cristal na quarta dimensão: a do tempo.
A previsão, ora confirmada, foi anunciada em Março de 2013 na American Physical Society.
Créditos: Zhong Ren/University of Chicago/Renz Research Inc.
“Não seria super estranho se agitasse a gelatina e descobrisse que de alguma forma esta respondeu num período diferente?” Pergunta Yao. “Mas essa é a essência do cristal de tempo. Temos um impulsor periódico que tem um período ‘T’, mas o sistema dalguma forma sincroniza para que se observe este mesmo sistema oscilando com um período que é maior do que ‘T’.
Yao trabalhou em estreita colaboração com Monroe enquanto a sua equipa de Maryland fez o novo material, ajudando-os a focarem-se nas propriedades importantes a medir para se confirmar que o material era de facto um cristal de tempo estável ou um rígido. Yao também descreveu como o cristal de tempo mudaria de fase, como um derretimento de cubos de gelo, sob diferentes campos magnéticos e impulsos de laser.
A equipa de Harvard, liderada por Mikhail Lukin, montou o seu cristal de tempo usando nódulos de espaços preenchidos com azoto densamente embalados em diamantes.
“Esses resultados semelhantes obtidos em dois sistemas descontroladamente dispares ressaltam que os cristais de tempo são uma nova fase da matéria, não simplesmente uma curiosidade relegada a sistemas pequenos ou estreitamente específicos”, escreveu Phil Richerme, da Universidade de Indiana, numa perspectiva acompanhando o artigo Publicado na Physical Review Letters. “A observação do cristal de tempo discreto … confirma que a quebra de simetria pode ocorrer em praticamente todos os domínios naturais. E abre caminho para várias novas linhas de investigação.
Yao está continuando o seu próprio trabalho em cristais do tempo enquanto explora a teoria que prevê a existência de outros materiais novos mas ainda não descobertos na fase da matéria em não-equilíbrio.
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Os co-autores de Yao são o Professor de Física Ashvin Vishwanath da UC em Berkely, Andrew Potter, agora professor assistente na Universidade do Texas em Austin, e o estudante de pós-graduação Ionut-Dragos Potirniche também da UC em Berkeley.
O trabalho foi apoiado pelo Gabinete da Força Aérea de Pesquisa Científica, o Simons Investigator Program, a Fundação Gordon e Betty Moore e pelo Berkeley Miller’s Miller Institute for Basic Research in Science.
Media Contact
Robert Sanders
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