Um cristal temporal que pulsa ao compasso simultâneo da ordem e do caos revelou um novo mecanismo através do qual a matéria pode “medir” o tempo.
Ensaios recentes demonstraram o cristal temporal rondeau - um cristal temporal que se repete ao longo do tempo, mas nunca de forma exactamente igual. O efeito imediato é de caos no curto prazo; contudo, quando se observa em escalas temporais mais longas, a ordem torna-se evidente.
Novas formas de ordem temporal no cristal temporal rondeau
"Neste trabalho, revelamos a existência de novos tipos de ordem temporal, que surgem a partir de excitações não periódicas mas estruturadas", escreve uma equipa de físicos liderada por Leo Joon Il Moon, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e Paul Schindler, do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos, na Alemanha.
"As nossas experiências mostram que quebrar a periodicidade da excitação pode conduzir a novas formas exóticas de ordem temporal parcial."
O que são cristais temporais e quasicristais temporais?
Os cristais temporais - previstos pela primeira vez em 2012 pelo físico teórico norte-americano Frank Wilczek e observados experimentalmente pela primeira vez em 2016 - acrescentam uma camada extra de complexidade à malha atómica padronizada que constitui os sólidos comuns.
Materiais cristalinos como o diamante, o quartzo e o sal são feitos de redes atómicas tridimensionais, nas quais a disposição dos átomos se repete. Qualquer porção dessa rede coincide com outra, desde que seja sobreposta de forma perfeitamente alinhada.
Um cristal temporal descreve partículas que se movem segundo sequências que não são impostas pelo ritmo temporal de qualquer “empurrão” externo, contrariando o fluxo esperado. As partículas oscilam nos seus estados de energia mais baixa segundo um padrão de temporização que se repete; e esse padrão também pode ser sobreposto de forma perfeita, tal como o arranjo espacial dos átomos num cristal.
Já um quasicristal temporal é aquele em que as oscilações dos átomos têm estrutura, mas não se repetem - como numa pavimentação de Penrose, um padrão no espaço dimensional que nunca se repete exactamente, embora continue a obedecer a um conjunto de regras.
Porque é que o “rondeau” combina repetição e variação?
Segundo Moon e os seus colegas, o cristal temporal rondeau é mais uma variante, na qual coexistem ordem e desordem, repetição e não repetição - numa analogia com a forma musical conhecida como rondeau.
"Um padrão composto por um tema repetido (aqui, ordem estroboscópica) que alterna com um tema de variação contrastante (aqui, desordem temporal de curta duração) é conhecido, na música clássica, como um rondeau", escrevem os investigadores.
"Talvez um dos exemplos mais famosos de um rondeau na música seja o Rondo alla Turca (Marcha Turca), de Mozart; por isso, referimo-nos a este tipo de ordem temporal como uma ordem rondeau."
Como foi criado o cristal temporal num diamante
Os investigadores produziram o seu cristal temporal explorando vazios à escala atómica - ou vacâncias - num diamante. Estas vacâncias são posições da rede cristalina onde um átomo deveria estar, mas não está. Este defeito é conhecido como centro de vacância de azoto, no qual um átomo de azoto fica adjacente a um espaço vazio.
Ao excitarem os centros de vacância de azoto com lasers, a equipa hiperpôs em polarização os spins nucleares do carbono-13 no diamante. Em seguida, um gerador programável de formas de onda arbitrárias conduziu esses spins através de sequências de impulsos rigorosamente temporizadas, que variavam entre padrões periódicos e padrões aleatórios.
A equipa acompanhou com cuidado centenas de chamados ciclos de excitação - ou impulsos de laser - e verificou que, por vezes, os cristais temporais oscilavam durante mais de 4 segundos antes de decaírem.
Mesmo nesse intervalo de poucos segundos, os investigadores observaram que, embora existisse desordem dentro de cada ciclo de excitação, o estado global do cristal temporal voltava a repetir-se no início de cada ciclo. Quando o sistema era analisado apenas uma vez por ciclo, mostrava uma ordem perfeita - de modo semelhante ao que acontece quando uma luz estroboscópica, perfeitamente sincronizada, capta um padrão repetido numa sequência de imagens de uma roda em rotação.
Texto codificado no tempo dos impulsos e o que isso sugere
Depois, a equipa elevou a experiência a um novo patamar. Para demonstrar a possibilidade de controlo, chegaram mesmo a codificar texto - "Observação experimental de um cristal temporal rondeau. Desordem temporal em ordem espaço-temporal" - directamente no calendário temporal dos impulsos, recorrendo à norma ASCII.
Isto não tem utilidade prática, pelo menos por enquanto; ainda assim, deixa antever algumas possibilidades para o futuro.
"As nossas experiências", escrevem os investigadores, "abrem uma nova via promissora para investigar a ordem temporal, demonstrando a coexistência estável e duradoura entre a ordem temporal de longo alcance e a desordem de micromovimento em escalas temporais curtas."
O estudo foi publicado na revista Física da Natureza.
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