A natureza segue inúmeros ritmos: a mudança das estações vem da órbita da Terra em torno do Sol, e o tique-taque constante de um relógio vem do movimento de um pêndulo para frente e para trás. Esses padrões podem ser descritos por leis matemáticas simples.
Porém, a ordem também pode aparecer de uma forma mais surpreendente – ela mesma, sem nenhum temporizador externo. Quando inúmeras partículas interagem de maneiras complexas, elas caem espontaneamente em ritmos repetitivos, em vez de agirem de forma caótica. Este fenômeno é chamado de “cristal do tempo”. Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena (Viena) mostraram agora que os cristais do tempo podem ser formados por um mecanismo completamente diferente daquele que os cientistas pensavam. Os seus cálculos mostram que as correlações quânticas entre partículas, que antes se pensava perturbarem estes padrões, podem na verdade ajudar a estabilizá-los. A descoberta fornece uma nova perspectiva surpreendente sobre como o comportamento coletivo emerge em sistemas quânticos multipartículas.
cristal do espaço e cristal do tempo
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 específico. Quando um líquido solidifica, as partículas fixam-se em posições precisas, formando estruturas espaciais regulares e repetitivas – cristais. Um líquido é homogêneo em todas as direções, mas no cristal a simetria é quebrada: adquire estrutura e algumas direções tornam-se diferentes de outras.
Poderia uma quebra de simetria semelhante ocorrer no tempo e não no espaço? Poderia um sistema quântico que inicialmente se comporta da mesma forma 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 no campo da física quântica há mais de dez anos”, diz Felix Russo, do Instituto de Física Teórica da TU Viena, que está conduzindo uma pesquisa de tese de doutorado no grupo do professor Thomas Pohl. Na verdade, foi demonstrado que os chamados cristais de tempo são possíveis – sistemas nos quais os ritmos de tempo podem ser estabelecidos sem batidas impostas externamente.
“No entanto, pensava-se que isso só seria possível em sistemas muito específicos, como os gases quânticos, cujos fenômenos físicos podem ser bem descritos 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 as correlações físicas quânticas entre as partículas – anteriormente pensadas para impedir a formação de cristais do tempo – que podem levar ao surgimento de uma fase de cristal do tempo.”
Interações quânticas complexas entre partículas dão origem a um comportamento coletivo que não pode ser explicado ao nível das partículas individuais – semelhante à forma como o fumo de uma vela apagada por vezes forma uma série regular de anéis de fumo; o ritmo desse fenômeno não é determinado externamente e não pode ser entendido a partir de partículas individuais de fumaça.
Partículas em uma rede de laser
“Estamos estudando uma rede bidimensional de partículas fixadas por um feixe de laser”, diz Felix Russo. “Aqui podemos mostrar que devido às interações quânticas entre as partículas, o estado da rede começa a oscilar.”
Esta 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.
