Cientistas criam o primeiro cristal do tempo visível

Cientistas conseguiram criar o primeiro cristal do tempo visível - matéria que se repete ao longo do tempo, em vez de se organizar apenas no espaço - revelando uma fase em que os padrões internos voltam ciclicamente ao mesmo estado e, ainda por cima, podem ser observados directamente.

O nome parece saído da ficção científica, mas o resultado mostra que este tipo de movimento repetitivo na matéria pode agora ser acompanhado a olho nu (em condições específicas) ou ao microscópio, em vez de ser apenas deduzido a partir de sinais indirectos.

Forma visível de cristal do tempo

No interior de uma célula fina de vidro, um material de cristal líquido gerou faixas móveis que, sob iluminação constante, continuavam a percorrer o mesmo ciclo e a regressar ao mesmo desenho.

Ao seguir essas bandas repetitivas, Hanqing Zhao, da University of Colorado Boulder (CU Boulder), registou o comportamento como um exemplo visível de cristal do tempo - um material cujo padrão interno se repete no tempo, em vez de permanecer imóvel no espaço.

Ao contrário de demonstrações anteriores, em que o efeito tinha de ser inferido através de medições indirectas, aqui o padrão mantém-se directamente observável ao microscópio.

Essa observabilidade coloca o fenómeno ao alcance de experiências mais rotineiras e torna ainda mais urgente perceber como é que um movimento repetitivo deste tipo consegue manter-se.

Origens dos cristais do tempo

Em 2012, Frank Wilczek avançou a ideia de cristais do tempo como um novo tipo de ordem. A proposta partia de uma comparação: os cristais comuns exibem um padrão que se repete no espaço, enquanto um cristal do tempo voltaria ao mesmo estado repetidamente, momento após momento.

A formulação original de Wilczek não resistiu a testes teóricos posteriores, mas serviu para incentivar a procura de versões contínuas e de sistemas “forçados” (em que há um estímulo externo a conduzir a dinâmica).

Esse percurso ajuda a entender porque é que um exemplo visível se distingue das demonstrações anteriores, que dependiam de sinais que só permitiam concluir o efeito de forma indirecta.

A luz dá início ao movimento

Nas novas amostras, cristais líquidos em forma de bastonete ficaram confinados entre duas placas de vidro revestidas com corante. Estes materiais têm capacidade de fluir, mas mantêm o alinhamento das moléculas.

Quando iluminado com luz azul, o corante na superfície sofre uma transformação, e essa alteração comprime as moléculas próximas, levando a camada a começar a reorganizar-se.

À medida que a luz mudava de direcção dentro da célula, a realimentação do sistema intensificou-se e deu origem a milhares de dobras móveis (descontinuidades) em toda a amostra.

“Tudo nasce do nada. Só se faz incidir uma luz, e emerge todo este mundo de cristais do tempo”, disse Ivan Smalyukh, professor de física e investigador do Instituto de Energias Renováveis e Sustentáveis da University of Colorado Boulder.

Porque é que o padrão se mantém

Depois de surgirem, as faixas não se dissiparam de imediato nem ficaram “congeladas”: continuaram a ciclar localmente durante horas.

Variações de temperatura e alterações na intensidade luminosa mexeram apenas de forma moderada com o ritmo, porque as dobras em interacção continuavam a prender-se mutuamente, mantendo o sincronismo.

A equipa verificou também que certos defeitos no padrão eram capazes de cicatrizar, sugerindo uma espécie de rigidez tanto no espaço como no tempo.

Esta robustez ajuda a perceber porque é que o fenómeno se apresenta como uma fase de matéria organizada, e não como um simples efeito óptico passageiro.

Para lá do laboratório quântico

Antes deste trabalho, a maioria das experiências com cristais do tempo estava confinada a hardware quântico ou a configurações ultrafrias, em que não é possível simplesmente observar o fenómeno ao microscópio.

Um marco amplamente divulgado envolveu o processador Sycamore, da Google, onde sequências repetidas de impulsos geraram o mesmo comportamento repetitivo em dezenas de qubits.

Outra experiência descreveu uma versão contínua, mas, mesmo aí, o sinal tinha de ser lido de forma indirecta.

Ao comparar as novas faixas com esses resultados anteriores, percebe-se com mais nitidez o avanço: a visibilidade altera a facilidade com que os cientistas conseguem sondar e confrontar o movimento.

Porque é que a visibilidade importa

Com a observação directa, os investigadores passam a conseguir acompanhar o ritmo, a evolução de defeitos e eventuais colapsos do padrão sem terem de traduzir primeiro sinais de laser.

“Podem ser observados directamente ao microscópio e até, em condições especiais, a olho nu”, disse Hanqing Zhao, então estudante de doutoramento em física na University of Colorado Boulder.

Esse acesso pode acelerar testes fundamentais, já que é possível ajustar a amostra e ver de imediato como a dinâmica organizada reage.

Além disso, baixa a barreira de entrada para novas experiências - algo potencialmente relevante caso engenheiros queiram desenvolver dispositivos práticos, e não apenas curiosidades raras de laboratório.

Segurança em movimento

Uma aplicação prática proposta é usar estes padrões móveis como uma marca de água temporal, que só aparece sob iluminação adequada.

Uma nota falsificada poderia copiar uma imagem estática, mas teria dificuldade em reproduzir um padrão que muda segundo um ritmo exacto.

Os investigadores também esboçaram versões empilhadas e estados semelhantes a impressões digitais, sugerindo várias camadas de verificação num único desenho.

Por agora, esta possibilidade continua especulativa, mas a física oferece uma característica intrinsecamente móvel que a impressão convencional não consegue imitar com facilidade.

Dados ao longo do tempo

Ao empilhar padrões visíveis, torna-se possível criar um código de barras temporal, no qual a informação existe tanto na imagem como no seu ciclo.

Esse “eixo” adicional do tempo pode aumentar a densidade de armazenamento, porque o mesmo ponto pode representar coisas diferentes em momentos diferentes.

Segundo as estimativas, um código bidimensional estendido no tempo poderia suportar mais de 100 000 bits por segundo.

Transformar a ideia num dispositivo de memória funcional exigirá métodos de codificação, controlo de erros e materiais que se mantenham fiáveis fora do ambiente de laboratório.

Limites do sistema

Apesar do potencial, este sistema não é uma máquina de movimento perpétuo e não fornece energia “gratuita”.

A luz sustenta o padrão ao orientar moléculas na superfície, enquanto o material se limita a repetir o ciclo em vez de produzir trabalho útil.

Ainda é necessário compreender durante quanto tempo dispositivos maiores conseguem permanecer sincronizados e quanto ruído a produção em condições reais introduziria.

Esses limites práticos distinguem um efeito laboratorial elegante de um produto e vão orientar a próxima fase de experiências.

Cristais do tempo e estudos futuros

A combinação de ordem visível, movimento auto-sustentado e uma cadência invulgarmente estável faz deste material um caso raro em que uma ideia abstracta da física se torna palpável.

Trabalhos futuros irão determinar se estas faixas em movimento ficam como mera curiosidade ou se evoluem para marcas, memórias e ferramentas ópticas úteis.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Materials.