Um cristal cintilante ganha aparência colorida graças à disposição precisa de seus átomos no espaço. Em 2012, o físico vencedor do Nobel Frank Wilczek sugeriu que tal ordem poderia existir não no espaço, mas no tempo. Ele levantou a hipótese de que certos sistemas quânticos podem se organizar em padrões repetidos que continuam indefinidamente, sem a necessidade de energia externa. Ele chamou esses sistemas de cristais do tempo. Eles existem no estado de energia mais baixo enquanto exibem movimento constante e repetitivo. Os cientistas confirmaram sua existência experimentalmente em 2016.
Pesquisadores do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Aalto alcançaram um marco importante ao vincular um cristal do tempo a um sistema externo pela primeira vez. A pesquisa, liderada pelo pesquisador da Academia Jere Mäkinen, mostra como a equipe transformou um cristal do tempo em um sistema óptico-mecânico. Esta abordagem poderá levar a tecnologias como sensores de alta precisão ou sistemas de memória melhorados para computadores quânticos, aumentando potencialmente o seu desempenho.
As descobertas foram publicadas em Comunicações da natureza.
“O movimento perpétuo é possível no reino quântico, desde que não seja interrompido por uma entrada externa de energia, como a observada. É por isso que o cristal do tempo nunca foi conectado a nenhum sistema externo antes”, diz Mäkkinen. “Mas fizemos exatamente isso e mostramos, também pela primeira vez, que é possível ajustar as propriedades de um cristal usando este método.”
Criando e mantendo um cristal do tempo
Para construir o sistema, os pesquisadores usaram ondas de rádio para injetar magnons no superfluido hélio-3 resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto. Magnons são quasipartículas, ou seja, grupos de partículas que se comportam como se fossem partículas individuais. Depois que a onda de rádio foi desligada, os magnons se organizaram em um cristal do tempo.
Este cristal do tempo continuou o seu movimento durante um período de tempo invulgarmente longo, durando até 108 ciclos ou vários minutos, antes de desaparecer a um nível que já não podia ser medido. Enfraquecendo gradualmente, o cristal do tempo interagiu com um oscilador mecânico próximo. A natureza desta interação dependia da frequência e amplitude do oscilador.
Vinculando cristais de tempo à optomecânica
“Mostramos que as mudanças na frequência de um cristal do tempo são completamente análogas aos fenômenos óptico-mecânicos amplamente conhecidos na física. Esses são os mesmos fenômenos usados, por exemplo, para detectar ondas gravitacionais no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser nos EUA. Ao reduzir a perda de energia e aumentar a frequência deste oscilador mecânico, nossa configuração pode ser otimizada para chegar perto do limite do reino quântico. ” – diz Makinen.
Esta ligação à optomecânica é importante porque nos permite controlar e sintonizar o comportamento dos cristais do tempo de uma forma que antes não era possível.
Potencial para computação quântica e detecção
Os cristais do tempo podem desempenhar um papel importante no desenvolvimento da tecnologia quântica. A sua capacidade de durar muito mais tempo do que os sistemas quânticos típicos torna-os particularmente promissores.
“Os cristais de tempo duram ordens de magnitude mais longas do que os sistemas quânticos atualmente usados na computação quântica. O melhor cenário é que os cristais de tempo possam alimentar os sistemas de memória dos computadores quânticos para melhorá-los significativamente. Eles também podem ser usados como pentes de frequência usados em dispositivos de medição extremamente sensíveis como referência de frequência”, diz Mäkkinen.
O trabalho foi realizado no Laboratório de Baixa Temperatura, que faz parte da OtaNano, infraestrutura nacional da Finlândia para tecnologias nano, micro e quânticas. A equipe também utilizou recursos computacionais fornecidos pelo projeto Aalto Science-IT.
