A existência de cristais de tempo – um estado particularmente fascinante da matéria – só foi confirmada há poucos anos, mas os físicos já fizeram um grande avanço: eles induziram e observaram uma interação entre dois cristais de tempo.

Em um superfluido de hélio-3, dois cristais trocaram quasipartículas sem interromper sua coerência; uma conquista que, dizem os pesquisadores, abre possibilidades para campos emergentes, como o processamento quântico de informações, onde a coerência é de vital importância.

“Controlar a interação de dois cristais de tempo é uma grande conquista. Antes disso, ninguém tinha observado dois cristais de tempo no mesmo sistema, muito menos visto eles interagirem”, disse o físico e autor principal Samuli Autti, da Lancaster University, no Reino Unido.

“As interações controladas são o item número um na lista de desejos de qualquer pessoa que queira aproveitar um cristal de tempo para aplicações práticas, como processamento de informações quânticas.”

Cristais de tempo são fascinantes. Eles se parecem com cristais normais, mas apresentam uma propriedade adicional peculiar.

Em cristais regulares, os átomos estão dispostos em uma estrutura de grade tridimensional fixa, como a rede atômica de um diamante ou cristal de quartzo. Essas redes repetitivas podem diferir na configuração, mas não se movem muito: elas apenas se repetem espacialmente.

Nos cristais do tempo, os átomos se comportam de maneira um pouco diferente. Eles oscilam, girando primeiro em uma direção e depois na outra. Essas oscilações – conhecidas como ‘tic-tac’ – são travadas em uma frequência regular e particular. Assim, onde a estrutura dos cristais regulares se repete no espaço, nos cristais do tempo ela se repete no espaço e no tempo.

Teoricamente, os cristais de tempo atingem seu estado de energia mais baixo possível – conhecido como estado fundamental – e, portanto, são estáveis ​​e coerentes por longos períodos de tempo. Isso poderia ser explorado, mas apenas se sua coerência pudesse ser preservada em uma interação controlada.

Então, Autti e seus colegas do Reino Unido e da Finlândia marcaram um jogo de time crystal. Primeiro, eles resfriaram o hélio-3 – um isótopo estável do hélio com dois prótons, mas apenas um nêutron – até um décimo milésimo de um grau de zero absoluto, criando um superfluido de fase B, um fluido de viscosidade zero com baixa pressão.

Nesse meio, os dois cristais de tempo emergiram como condensados ​​de Bose-Einstein espacialmente distintos de quasipartículas de magnon. Os magnons não são partículas verdadeiras, mas consistem em uma excitação coletiva do spin dos elétrons – como uma onda que se propaga através de uma rede de spins.

Quando os físicos permitiram que os dois cristais de tempo se tocassem, eles trocaram magnons – o que mudou a oscilação para a fase oposta sem sacrificar a coerência.

Os resultados foram consistentes com um fenômeno de supercondutividade conhecido como efeito Josephson, no qual uma corrente flui entre duas peças de material supercondutor separadas por um isolador fino conhecido como junção Josephson. Essas estruturas são uma das várias que estão sendo exploradas para a construção de qubits, as unidades básicas de informação em um computador quântico.

É apenas uma interação muito simples, mas abre a porta para tentar criar e controlar outras muito mais sofisticadas.

“Nossos resultados demonstram que os cristais de tempo obedecem à dinâmica geral da mecânica quântica e oferecem uma base para investigar mais profundamente as propriedades fundamentais dessas fases, abrindo caminhos para possíveis aplicações em campos de desenvolvimento, como o processamento de informação quântica”, escreveram os pesquisadores em seu artigo.

“Sistemas quânticos coerentes de vida longa com interações sintonizáveis, como os cristais de tempo robustos estudados aqui, fornecem uma plataforma para a construção de novos dispositivos quânticos baseados em fenômenos coerentes com spin.”

A pesquisa foi publicada na Nature Materials.

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