Os cristais cintilantes adquirem uma aparência colorida devido à disposição precisa de seus átomos no espaço. Em 2012, o físico vencedor do Prêmio Nobel, Frank Wilczek, sugeriu que uma ordem semelhante poderia não existir no espaço, mas no tempo. Ele acreditava que certos sistemas quânticos poderiam organizar-se em padrões repetidos indefinidamente e continuamente, sem a necessidade de energia externa. Ele chamou esses sistemas de cristais do tempo. Eles estão em seu estado de energia mais baixo, embora ainda exibam movimentos repetitivos constantes. Em 2016, os cientistas confirmaram a sua existência através de experiências.
Pesquisadores do Departamento de Física Aplicada da Universidade Aalto alcançaram um marco importante ao conectar pela primeira vez um cristal do tempo a um sistema externo. A pesquisa, liderada pelo pesquisador da Academia Jere Mäkinen, mostra como a equipe transformou um cristal do tempo em um sistema optomecânico. Esta abordagem poderá levar a tecnologias como sensores de alta precisão ou sistemas de armazenamento melhorados para computadores quânticos, melhorando potencialmente o seu desempenho.
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da natureza.
“É possível mover-se para sempre no reino quântico, desde que não seja perturbado pela entrada de energia externa (como através da observação). É por isso que os cristais do tempo nunca foram conectados a nenhum sistema externo antes”, disse Makinen. “Mas fizemos exatamente isso e mostramos pela primeira vez que é possível usar esse método para ajustar as propriedades de um cristal.”
Crie e mantenha cristais de tempo
Para construir o sistema, os pesquisadores usaram ondas de rádio para injetar magnons no superfluido Hélio-3 resfriado a temperaturas próximas de zero. Magnons são quasipartículas, o que significa que grupos de partículas se comportam como uma única partícula. Uma vez desligada a entrada de ondas de rádio, os magnons se organizam em cristais de tempo.
Este cristal do tempo continuou a mover-se durante um período de tempo invulgarmente longo, durando até 108 ciclos ou minutos, antes de enfraquecer gradualmente até um nível que já não podia ser medido. À medida que enfraquece, o cristal do tempo interage com um oscilador mecânico próximo. A natureza desta interação depende da frequência e amplitude do oscilador.
Conectando cristais de tempo e optomecânica
“Mostramos que as mudanças na frequência do cristal do tempo são exatamente semelhantes aos fenômenos optomecânicos bem conhecidos na física. Esses fenômenos são os mesmos usados pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser dos EUA para detectar ondas gravitacionais. Ao reduzir as perdas de energia e aumentar a frequência do oscilador mecânico, nosso dispositivo pode ser otimizado para chegar perto dos limites do reino quântico, “diz Mäkinen.
Essa conexão com a optomecânica é importante porque fornece uma maneira de controlar e ajustar o comportamento dos cristais de tempo que antes não era possível.
O potencial da computação quântica e da detecção
Os cristais do tempo podem desempenhar um papel importante no avanço da tecnologia quântica. A sua duração é muito maior do que a dos sistemas quânticos típicos, o que os torna particularmente promissores.
“Os cristais de tempo podem durar muito mais tempo do que os sistemas quânticos atualmente usados na computação quântica. O melhor cenário é que os cristais de tempo possam alimentar os sistemas de armazenamento de computadores quânticos, melhorando-os significativamente. Eles também podem ser usados como pentes de frequência, servindo como referências de frequência em equipamentos de medição de altíssima sensibilidade, “diz Mäkinen.
O trabalho foi realizado em um laboratório criogênico, que faz parte da infraestrutura nacional de nano, micro e tecnologia quântica da Finlândia, OtaNano. A equipe também utilizou recursos computacionais fornecidos pelo projeto Aalto Science-IT.
