Os cristais são objetos extraordinários, não só por causa de sua simetria. Os cristais formam padrões repetidos que são iguais em algumas direções, mas não em todas as direções. Isso é um pouco surpreendente, já que as leis da física que governam sua formação, são as mesmas em todas as direções.
Que as leis da física são espacialmente simétricas, mas cristais não é um fenômeno conhecido como quebra de simetria. Isso ocorre não pela adição de energia a um sistema, mas tirando-a. De fato, os cristais são uma manifestação de sistemas em seus estados de menor energia.
Mas as leis da física não são apenas simétricas no espaço, mas também no tempo. E isso levanta a questão interessante sobre se é possível quebrar a simetria temporal da mesma maneira. Em outras palavras, é possível criar cristais do tempo?
Hoje, temos uma resposta graças ao trabalho de Chris Monroe, da Universidade de Maryland em College Park e alguns colegas, que criaram um cristal do tempo em seu laboratório pela primeira vez.
O processo básico de produzir cristais do tempo é simples. A ideia é criar um sistema quântico, como um grupo de íons dispostos em um anel e resfriá-lo até que estejam em seu estado de menor energia. Nestas circunstâncias, as leis da física sugeririam que o anel deve ser perfeitamente estacionário.
Mas, se a simetria do tempo for quebrada, em seguida, o anel pode variar periodicamente no tempo. Em outras palavras, ele iria girar. Claro, nunca seria possível extrair energia a partir deste movimento - isso violaria a lei de conservação de energia. Mas a quebra de simetria temporal se manifestaria nesse movimento de repetição no tempo, assim como a quebra de simetria espacial se manifesta como repetição de padrões no espaço.
Essa é a teoria, mas no mundo real, as coisas não são tão simples. O principal problema é que o mundo quântico não é regido por variáveis dependentes do tempo, de modo que a simetria do tempo não pode ser quebrada nesta escala. Assim, em circunstâncias normais, o resfriamento de um anel de íons ao seu estado de menor energia iria deixá-lo parado.
Mas há circunstâncias em que os sistemas quânticos de fato evoluem ao longo do tempo. Munro e col. se centraram nelas: sistemas quânticos que não estão em equilíbrio. O seu sistema quântico é uma linha de íons de itérbio com rotações que interagem umas com as outras.
Essa interação leva a um tipo especial de comportamento. Uma das estranhas características das partículas quânticas é que elas não costumam existir em locais específicos. Em vez disso elas estão espalhadas no espaço com chances de aparecerem em qualquer lugar sendo regida pelas leis da probabilidade.
Mas, em algumas circunstâncias, isto pode mudar. Por exemplo, um único elétron dentro de um material pode interferir consigo mesmo de uma forma que o obriga a aparecer em um único local. Isto é conhecido como localização de Anderson, em homenagem ao físico que previu o fenômeno na década de 1950.
Mais recentemente, os físicos têm investigado grupos de partículas quânticas que interagem umas com as outras de uma maneira que faz com que todas elas se tornem localizadas. A chamada localização de muitos corpos é um estado delicado que mantém as partículas quânticas em um estado fora-de-equilíbrio. Em outras palavras, que as obriga a ser localizadas. E é exatamente assim que esta corrente de íons de itérbio se comporta.
Uma das propriedades chave destes íons é a sua magnetização ou rotação, que pode ser virada para baixo ou para cima utilizando um laser. Mudando o spin de um íon faz com que o spin do próximo íon vire também e assim por diante. Estas interacções de spin então oscilam a uma velocidade que depende da frequência com que o laser inverte o spin inicial. Em outras palavras, a frequência de condução determina a taxa de oscilação.
Mas quando Monroe e col. mediram isso, eles encontraram um outro efeito. Eles descobriram que depois de permitir que o sistema evolua, as interacções ocorrem a uma taxa que era o dobro do período inicial. Uma vez que não existe qualquer força motriz com esse período, a única explicação é que a simetria de tempo deve ter sido quebrada, permitindo assim que estes períodos se tornem mais longos. Em outras palavras, Monroe e col. criaram um cristal tempo.
"A equipe passou a medir algumas das propriedades destes cristais. Eles descobriram, por exemplo, que a alteração da frequência de condução não alterar a frequência do cristal do tempo. "Isto representa a 'rigidez' do cristal do tempo discreto", dizem eles.
E eles descobriram que outras perturbações poderiam eventualmente destruir o cristal do tempo. "Quando as perturbações são muito grandes, o cristal 'derrete'", diz Monroe e col.
Esse é um trabalho interessante e até esotérico. Isso mostra que os cristais do tempo podem realmente existir, como previsto em 2012 pelo ganhador do prêmio Nobel de física Frank Wilczek no MIT e Al Shapere da Universidade de Kentucky.
Sobre as aplicações, Monroe e col. têm algumas sugestões. Eles dizem, por exemplo, que os cristais do tempo poderiam ser usados para tarefas de informação quântica, como a implementação de uma memória quântica robusta.
Mas a natureza exótica da localização de muitos corpos e o fato de que ela ainda é mal compreendida pode significar que outros físicos vão querer verificar a natureza deste efeito cuidadosamente antes de confirmar que realmente mostra a existência de cristais do tempo.
Portanto, há um trabalho mais excitante para ser feito.
Fonte: http://www.technologyreview.com.br/read_article.aspx?id=51930
Referencia: https://arxiv.org/abs/1609.08684
Data: 27 Sep 2016
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