Dois cristais do tempo foram conectados com sucesso pela primeira vez

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(Créditos: Alexandr Gnezdilov Light Painting/Moment/Getty Images)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Físicos acabaram de dar um passo incrível em direção a dispositivos quânticos que soam como algo saído da ficção científica.

Pela primeira vez, grupos isolados de partículas que se comportam como estados bizarros da matéria, conhecidos como cristais do tempo, foram ligados em um único sistema em evolução que pode ser incrivelmente útil na computação quântica.

Após a primeira observação da interação entre dois cristais do tempo, detalhada em um paper há dois anos, este é o próximo passo para aproveitar potencialmente os cristais do tempo para fins práticos, como o processamento de informações quânticas.

Cristais do tempo, apenas oficialmente descobertos e confirmados há alguns anos em 2016, já foram considerados fisicamente impossíveis. Eles são uma fase da matéria muito semelhante aos cristais normais, mas por uma propriedade adicional, peculiar e muito especial.

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 entrelaçadas repetidas podem diferir na configuração, mas qualquer movimento que elas exibam vem exclusivamente de influência externa.

Nos cristais do tempo, os átomos se comportam de maneira um pouco diferente. Eles exibem padrões de movimento no tempo que não podem ser facilmente explicados por uma influência externa. Essas oscilações – referidas como ‘tique-taque’ – estão presas em uma frequência regular e particular.

Teoricamente, os cristais de tempo marcam seu estado de energia mais baixo possível – conhecido como estado fundamental – e, portanto, são estáveis ​​e coerentes por longos períodos de tempo. Assim, onde a estrutura dos cristais regulares se repete no espaço, nos cristais do tempo ela se repete no espaço e no tempo, exibindo assim um movimento perpétuo do estado fundamental.

“Todo mundo sabe que as máquinas de movimento perpétuo são impossíveis”, disse o físico e principal autor Samuli Autti, da Universidade de Lancaster, no Reino Unido.

“No entanto, na física quântica, o movimento perpétuo é aceitável, desde que mantenhamos os olhos fechados. Ao nos esgueirarmos por essa brecha, podemos fazer cristais do tempo.”

Os cristais do tempo com os quais a equipe está trabalhando consistem em quasipartículas chamadas magnons. 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.

Os magnons surgem quando o hélio-3 – um isótopo estável de hélio com dois prótons, mas apenas um nêutron – é resfriado a um décimo de milésimo de grau do zero absoluto. Isso cria o que é chamado de superfluido de fase B, um fluido de viscosidade zero com baixa pressão.

Nesse meio, cristais de tempo se formaram como condensados ​​de Bose-Einstein espacialmente distintos, cada um consistindo de um trilhão de quasipartículas de magnon.

Um condensado de Bose-Einstein é formado a partir de bósons resfriados a apenas uma fração acima do zero absoluto (mas não atingindo o zero absoluto, ponto em que os átomos param de se mover).

Isso faz com que eles despenquem para seu estado de energia mais baixa, movendo-se extremamente lentamente e se aproximando o suficiente para se sobrepor, produzindo uma nuvem de átomos de alta densidade que age como um ‘superátomo’ ou onda de matéria.

Quando os dois cristais do tempo puderam se tocar, eles trocaram magnons. Essa troca influenciou a oscilação de cada um dos cristais de tempo, criando um sistema único com opção de funcionar em dois estados discretos.

Na física quântica, objetos que podem ter mais de um estado existem em uma mistura desses estados antes de serem determinados por uma medição clara. Portanto, ter um cristal do tempo operando em um sistema de dois estados fornece novas e ricas escolhas como base para tecnologias baseadas no reino quântico.

Os cristais de tempo são uma maneira a ser considerada de serem usados como qubits, pois há um número significativo de obstáculos a serem resolvidos primeiro. Mas as peças estão começando a se encaixar.

No início deste ano, uma equipe diferente de físicos anunciou que havia criado com sucesso cristais de tempo à temperatura ambiente que não precisam ser isolados do ambiente ao redor.

Interações mais sofisticadas entre cristais de tempo e o controle avançado dos mesmos precisarão ser mais desenvolvidas, assim como observar cristais de tempo interagindo sem a necessidade de superfluidos resfriados. Mas os cientistas estão otimistas.

“Acontece que colocar dois deles juntos funciona lindamente, mesmo que os cristais do tempo não deveriam existir em primeiro lugar”, disse Autti. “E já sabemos que eles também existem à temperatura ambiente.”

A pesquisa foi publicada na Nature Communications.