Um cristal de tempo é uma fase única e exótica da matéria prevista pela primeira vez pelo físico americano Frank Wilczek em 2012. Os cristais de tempo são análogos temporais de cristais espaciais mais convencionais, pois ambos são baseados em estruturas caracterizadas por padrões repetidos.
Em vez de formar padrões repetitivos no espaço tridimensional (3D), como fazem os cristais espaciais, os cristais de tempo são caracterizados por mudanças ao longo do tempo que ocorrem em um padrão definido. Embora algumas equipes de pesquisa tenham conseguido realizar essas fases exóticas da matéria, até agora, essas realizações só foram alcançadas usando sistemas fechados. Isso levantou a questão de saber se os cristais de tempo também poderiam ser realizados em sistemas abertos, na presença de dissipação e decoerência.
Pesquisadores do Instituto de Física do Laser da Universidade de Hamburgo perceberam recentemente um cristal de tempo em um sistema quântico aberto pela primeira vez. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, pode ter implicações importantes para o estudo de fases exóticas da matéria em sistemas quânticos.
“O objetivo principal de nossa pesquisa é investigar fases dinâmicas da matéria, conhecidas por como suas propriedades mudam ao longo do tempo de maneira ordenada”, disse Hans Keßler, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Durante meus estudos de Ph.D., meus colegas e eu investigamos a transição de fase de um BEC homogêneo para uma fase super-radiante auto-ordenada e estávamos estudando como o sistema reage em uma têmpera de um estado estacionário para outro.”
Como nenhum estado físico é inatamente estável, o próximo passo da pesquisa anterior realizada por Keßler e seus colegas foi investigar as fases dinâmicas da matéria. Essas são essencialmente transições por meio das quais os materiais mudam suas propriedades com o tempo.
O objetivo principal do estudo recente dos pesquisadores foi realizar um cristal de tempo dissipativo em um ambiente de laboratório. Para fazer isso, eles usaram um sistema quântico de muitos corpos fortemente acoplado a uma cavidade óptica de banda estreita.
“Foi crucial para nossos experimentos que o campo de luz dentro do ressonador e a densidade do sistema de muitos corpos evoluíssem na mesma base, o que é dado pela largura da banda da cavidade e a frequência correspondente a um único recuo fotônico, respectivamente,” Keßler explicou. “Esta situação é única em nosso sistema átomo-cavidade e abre a possibilidade de estudar as fases dinâmicas da matéria.”
Como os sistemas físicos reais nunca estão totalmente isolados de seus arredores, eles são suscetíveis à dissipação (ou seja, perda ou desperdício de energia). Isso torna difícil ou impossível realizar sistemas quânticos que são realmente fechados por períodos de tempo arbitrários. Isso é o que inspirou Keßler e seus colegas a tentarem a realização de um cristal de tempo em um sistema quântico aberto.
“Até agora, os cristais de tempo que foram demonstrados em vários grupos exigiram um isolamento cuidadoso do ambiente, uma vez que a dissipação tem o efeito indesejável de ‘derreter’ esses cristais de tempo”, disse Keßler. “A única coisa sobre o cristal de tempo em nossa configuração de cavidade atômica é seu papel positivo na prevenção da dissipação, pois ajuda a estabilizar a dinâmica do sistema. A demonstração da ordem cristalina de tempo em um sistema aberto é, portanto, a conquista mais importante de nosso estudo.”
O estudo recente desta equipe de pesquisadores oferece fortes evidências de que um cristal de tempo discreto pode existir em um sistema de cavidade de átomo aberto e dirigido. Keßler e seus colegas estão agora tentando realizar um cristal de tempo contínuo usando o mesmo sistema de cavidade de átomo que usaram em seu trabalho recente.
A principal diferença entre este cristal de tempo dissipativo contínuo e o cristal de tempo dissipativo discreto realizado como parte de seu estudo recente é que o primeiro oscila mesmo na ausência de um impulso periódico de tempo. Como resultado dessa oscilação, o novo cristal que eles estão investigando quebra espontaneamente uma simetria de tradução de tempo contínua.
“Como propusemos para o cenário descrito em nosso artigo recente, nosso sistema de cavidades atômicas mudará para um estado da matéria caracterizado por oscilações periódicas em alguma frequência intrínseca”, acrescentou Keßler. “A fase relativa das oscilações em tal cristal de tempo deve assumir qualquer valor entre 0 e 2pi. Isso é muito diferente de cristais de tempo discretos, em que a fase relativa só pode ser 0 ou pi. De certa forma, um processo contínuo o cristal do tempo está mais próximo de um cristal sólido, pois ambos quebram a simetria contínua.
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