Cristais de tempo: um fenómeno exótico que também pode ser clássico

Os estados exóticos da matéria conhecidos como cristais de tempo são, em geral, associados ao mundo quântico. Agora, uma equipa da Universidade de Nova Iorque (NYU) demonstrou que um cristal de tempo clássico pode surgir de forma muito mais simples - recorrendo apenas a altifalantes e esferovite.

Além de poder constituir um exemplo extraordinariamente “limpo” de cristal de tempo clássico, este sistema funciona como um laboratório particularmente interessante para estudar interações não recíprocas à escala macroscópica, em que as partículas se influenciam através de ondas sonoras dispersas e não por forças directas e equilibradas.

"Os cristais de tempo são fascinantes não só pelas possibilidades, mas também porque parecem tão exóticos e complicados", afirma o físico da NYU David Grier.

"O nosso sistema é notável porque é incrivelmente simples."

O que é, afinal, um cristal de tempo?

Os cristais de tempo, previstos pela primeira vez em 2012, são ainda mais estranhos do que o nome sugere. A expressão não descreve um objecto, mas sim um tipo de comportamento, ligado à forma como os padrões se repetem.

Em cristais “normais” - como o quartzo, o diamante, o sal e uma grande variedade de metais - os átomos organizam-se numa estrutura em rede (um reticulado) que se repete no espaço tridimensional, como as uniões entre barras de uma estrutura de escalada. Qualquer parte do padrão pode sobrepor-se perfeitamente a qualquer outra parte do mesmo padrão.

Num cristal de tempo, o que se repete não é uma disposição no espaço, mas sim um arranjo de partículas que se repete no tempo: o sistema oscila com um padrão temporal recorrente que, tal como num cristal espacial, também pode ser sobreposto. De forma crítica, esta oscilação contínua quebra a simetria temporal: não depende de um “tic-tac” externo nem de um forçamento periódico imposto; em vez disso, ocorre a uma frequência que emerge da própria interação.

Um cristal de tempo clássico criado com som e esferas de poliestireno

Muitos cristais de tempo observados em laboratório são sistemas quânticos, alicerçados em estados emaranhados. Grier e os seus colegas - as físicas da NYU Mia Morrell e Leela Elliott - chegaram ao seu sistema clássico quase por acaso, enquanto estudavam uma categoria diferente de interações físicas.

Para esse trabalho, utilizaram pequenas esferas de poliestireno com cerca de 1 a 2 milímetros de diâmetro. Estas microesferas são ferramentas excelentes para investigar como os objectos interagem indirectamente através de ondas sonoras: são muito leves (o que permite levitá-las com som), mas suficientemente rígidas para não deformarem sob forças acústicas. Além disso, apresentam ligeiras variações de tamanho e forma - um detalhe essencial quando se pretende analisar interações não recíprocas.

Interações não recíprocas: quando as forças não se equilibram

Os cientistas realizaram as experiências no âmbito do seu estudo continuado deste tipo de interação. Primeiro, ajustaram um pequeno conjunto de altifalantes para gerar uma onda sonora estacionária - uma onda perfeitamente equilibrada na sua estrutura, sem ritmo imposto. Depois, introduziram as esferas, que criaram uma pequena perturbação, fazendo com que as ondas sonoras “batessem” e se dispersassem ao encontrá-las.

"Ondas sonoras exercem forças sobre partículas - tal como as ondas à superfície de um lago podem exercer forças sobre uma folha a flutuar", explica Morrell.

"Conseguimos levitar objectos contra a gravidade ao mergulhá-los num campo sonoro chamado onda estacionária."

A partir daí, as duas esferas passam a interagir através das ondas que cada uma dispersa. Uma esfera ligeiramente maior provoca uma perturbação mais intensa do que uma esfera menor; por isso, a força que a maior exerce sobre a menor torna-se superior à força que a menor exerce sobre a maior.

Isto é precisamente o que se entende por interação não recíproca - algo comum em acústica e em óptica, mas que tende a ser pequeno e difícil de isolar experimentalmente.

Quando duas esferas entram num padrão temporal estável (cristais de tempo)

Ao usar o seu aparato para explorar este efeito, os investigadores observaram que, quando as condições eram exactamente as adequadas, a interação entre as duas esferas fazia com que ambas começassem a oscilar num padrão temporal, sem que alguém as sacudisse, empurrasse ou introduzisse, por qualquer meio, um batimento externo.

Estas esferas conseguem manter um padrão repetitivo estável durante horas, acomodando-se num estado estacionário robusto, em vez de exibirem apenas uma flutuação passageira. E com apenas duas esferas? Trata-se do sistema mais pequeno possível que pode estar a comportar-se como um cristal de tempo.

O que isto pode significar (por enquanto, mais perguntas do que aplicações)

Ainda não há aplicações práticas evidentes, mas os resultados podem estimular outras linhas experimentais. Por exemplo, alguns sistemas bioquímicos no nosso corpo interagem de forma não recíproca. Isto não significa que os nossos ritmos circadianos sejam cristais de tempo, mas abre espaço para questões interessantes sobre se princípios semelhantes poderão surgir em biologia.

O trabalho também sugere que não é obrigatório recorrer a equipamento caro e altamente sofisticado para investigar alguns dos comportamentos mais invulgares do mundo físico. Por vezes, ao que parece, basta esferovite e talvez um altifalante de graves.

Os resultados foram publicados na revista Cartas de Revisão Física.