Um cristal brilhante obtém sua aparência colorida a partir do arranjo preciso de seus átomos no espaço. Em 2012, o físico vencedor do Prémio Nobel, Frank Wilczek, propôs que uma ordem semelhante poderia existir não no espaço, mas no tempo. Ele sugeriu que certos sistemas quânticos podem organizar-se em padrões repetidos que continuam indefinidamente, sem a necessidade de energia externa. Ele chamou esses sistemas de Cristais do Tempo. Eles existem em seu estado de energia mais baixo, embora ainda exibam movimentos constantes e repetitivos. Os cientistas confirmaram sua existência experimentalmente em 2016.
Pesquisadores do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Aalto alcançaram agora um marco importante ao vincular pela primeira vez um cristal do tempo a um sistema externo. A pesquisa, liderada pelo pesquisador da Academia Jere Makkinen, mostra como a equipe converteu um cristal do tempo em um sistema optomecânico. Esta abordagem poderia levar a tecnologias como sensores altamente precisos ou sistemas avançados de memória para computadores quânticos, aumentando potencialmente o seu desempenho.
Os resultados são publicados Comunicação da natureza.
“O movimento perpétuo é possível no mundo quântico, desde que não seja perturbado por uma entrada de energia externa, como observa. É por isso que um cristal do tempo não foi previamente conectado a nenhum sistema externo”, diz Makkinen. “Mas foi isso que fizemos e mostramos, pela primeira vez, que é possível ajustar as propriedades dos cristais usando este método.”
Criando e mantendo um cristal do tempo
Para construir o sistema, os pesquisadores usaram ondas de rádio para injetar magnons em um superfluido de 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. Assim que a entrada das ondas de rádio é interrompida, os magnons se organizam em um cristal de tempo.
Desta vez, o cristal continuou o seu movimento durante um período de tempo invulgarmente longo, durando até 108 ciclos ou vários minutos antes de desvanecer para um nível que já não podia ser medido. À medida que enfraquece gradualmente, o Cristal do Tempo interage com um oscilador mecânico próximo. A natureza desta interação depende da frequência e amplitude do oscilador.
Vinculando Cristais do Tempo à Optomecânica
“Mostramos que as mudanças na frequência dos cristais de tempo são completamente análogas aos fenômenos optomecânicos conhecidos na física. Esses mesmos fenômenos são usados, por exemplo, pela detecção de ondas gravitacionais no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser nos Estados Unidos para reduzir a perda de energia e nossa configuração de frequência pode chegar perto do limite do estado quântico, “diz Makkinen.
Essa conexão com a optomecânica é significativa porque fornece uma forma de controlar e sintonizar o comportamento dos cristais de tempo, o que antes não era possível.
Potencial para computação quântica e detecção
Os cristais do tempo podem desempenhar um papel importante no avanço 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 maiores do que os sistemas quânticos atualmente usados na computação quântica. O melhor cenário é que os cristais de tempo possam alimentar sistemas de memória de computador quântico para melhorar significativamente os sistemas de memória. Eles também podem ser usados como pentes de frequência que são empregados como dispositivos de medição de sensibilidade extremamente alta.”
O trabalho foi realizado utilizando o Laboratório de Baixa Temperatura, parte da transferência de infraestrutura nacional da Finlândia para tecnologias nano, micro e quânticas. A equipe também utilizou recursos computacionais fornecidos pelo projeto Aalto Science-IT.
