Os cristais de tempo – e outros estados insólitos da matéria

ÉÉ um troço que parece violar as leis mais fundamentais da física, lembra um moto-perpétuo mágico ou coisa que o valha, e tem um nome que mais parece saído da ficção científica. Mas existe, é uma peça-chave para o desenvolvimento dos computadores quânticos – e pode abrir caminho para a criação de relógios de altíssima precisão, capazes de funcionar sem energia. Estamos falando de um novo estado da matéria: os cristais de tempo.

Às vezes dá saudade de quando os estados da matéria eram apenas sólido, líquido ou gasoso, né? Conforme os físicos têm explorado com detalhes cada vez mais finos os mais variados modos pelos quais átomos e partículas podem se comportar, essa lista tem crescido.

O quarto estado da matéria, o plasma, nem é tão novo assim: foi descoberto em 1879, pelo físico inglês William Crookes. Você gera plasma aquecendo um gás ou despejando corrente elétrica sobre ele – esse é o princípio adotado nas televisões de plasma, que precederam as LCD.

Nelas, cada pixel é um cubinho microscópico, cheio dos gases xenônio e neon. Quando a televisão queria acender um determinado pixel, jogava eletricidade naquele cubinho – o xenônio e o neon se transformavam em plasma (gás ionizado, ou seja, eletricamente instável), emitindo luz. O Sol também é feito de plasma.

Mas, ao longo dos últimos 20 anos, os físicos conseguiram ir muito além: criaram estados como os supersólidos, os condensados de Bose-Einstein e os pólarons de Rydberg (mais sobre eles daqui a pouco). Agora, vieram os cristais de tempo. Antes que alguém pergunte: não, eles não servem para viajar no tempo. Mas fazem uma coisa quase tão insólita quanto isso.

Para entender os cristais de tempo, o primeiro passo é compreender os cristais comuns. Um diamante, por exemplo: o que exatamente ele é? Um diamante é feito do mesmíssimo material que o grafite dos lápis: átomos de carbono conectados entre si.

A diferença entre eles está na estrutura cristalina, ou seja, na organização dos átomos. Mas ambos são cristais. Eis o ponto: um cristal é qualquer material onde os átomos estão distribuídos de forma ordenada e repetitiva.

Em 2012, o físico americano Frank Wilczek, vencedor do Prêmio Nobel e professor do MIT, propôs a existência de algo que ele batizou de cristais de tempo. São conjuntos de átomos que se movem de forma repetitiva (daí a comparação com os cristais tradicionais), sem parar, por um período indefinido – e sem usar energia para tanto. Além disso, retornam ao estado inicial.

Parecia o proverbial almoço grátis. Essa ideia de não precisar de energia e voltar à organização original parece violar a primeira e a segunda leis da termodinâmica.

Pense numa mesa de bilhar antes do jogo, com as bolas arrumadinhas. Se você der uma tacada, elas vão se mexer – mas logo vão parar, porque o atrito das bolas com a mesa transformará em calor a energia cinética que você colocou nelas.

Pois, como prevê a primeira lei, não é possível criar ou destruir energia, apenas convertê-la. (Lembre das aulas de física: nada se cria, tudo se transforma.) E quando as bolas pararem, a mesa não estará arrumada, como antes. Ela vai ficar toda bagunçada – porque, como diz a segunda lei, os sistemas tendem à entropia, ou seja, à desordem (é por isso, inclusive, que o tempo só pode correr numa única direção: para a frente).

Num sistema que se move para sempre, e volta repetidamente ao estado inicial, nada disso aconteceria. Os cristais soavam bons demais para serem verdade, e diversos físicos se puseram a trabalhar para provar que a ideia de Wilczek era impossível.

Pesquisadores como Masaki Oshikawa, da Universidade de Tóquio, chegaram bem perto de derrubar a ideia. Mas seus argumentos se mostraram todos contornáveis. Os primeiros experimentos de laboratório criando sistemas que lembram cristais de tempo começaram a pipocar em 2016 e foram publicados na revista científica Nature em 2017.

Pois é: estávamos diante de mais um daqueles casos em que a física quântica prevê uma situação tão maluca que só pode ser falsa. Mas acaba sendo verdadeira.

O exemplo mais famoso é o de Einstein, que em 1935 escreveu um artigo criticando uma das bases da mecânica quântica: o emaranhamento. Nesse fenômeno, duas partículas podem se “entrelaçar”, ou seja, vincular seus estados físicos uma à outra mesmo estando separadas por longas distâncias – quando você interfere com uma, imediatamente a outra se altera também.

Einstein detestava essa ideia, que chamou depreciativamente de “ação fantasmagórica à distância”. Para ele, aquilo era uma evidência de que a física quântica estava incompleta e tinha problemas.

Só que o tempo passou, a ciência avançou, e o emaranhamento quântico se mostrou possível. Na última década, várias equipes de cientistas conseguiram criar conjuntos de fótons (partículas de luz) emaranhados, que podem ser usados para transmitir informações – é o teletransporte quântico.

Nessa técnica, você modula um grupo de fótons (provocando mudanças de estado neles para representar os números 0 e 1, que formam os dados digitais). Então o outro conjunto reproduz essas mudanças instantaneamente. A China, os Estados Unidos e os países da OTAN pretendem usar essa tecnologia para comunicações militares ultrasseguras (1), que seriam impossíveis de interceptar (já que as informações não trafegam por nenhum meio tradicional, nem mesmo pelas três dimensões físicas do espaço). O governo chinês diz que já conseguiu transmitir dados dessa forma entre dois pontos a 1.400 km de distância.

Os computadores quânticos exploram outra maluquice desse ramo da física: a chamada sobreposição quântica, ou seja, uma coisa poder assumir mais de um estado ao mesmo tempo (a luz, por exemplo, que é uma onda mas também é um fluxo de partículas). Esse tipo de computador, que está sendo desenvolvido por empresas como o Google e a IBM, poderia realizar cálculos absurdamente complexos, inviáveis para os computadores comuns.

Sabe os números 0 e 1, que compõem os dados digitais? Cada um deles é um bit, a menor unidade de informação digital. Os computadores tradicionais usam pulsos de elétrons para representar os bits. Grosso modo, é como se a presença de eletricidade representasse 1, e sua ausência 0. Cada bit só pode ser 1 ou 0.

Mas, no computador quântico, é diferente. Ele trabalha com bits quânticos, ou qubits – que, justamente por causa da sobreposição quântica, podem assumir mais de um estado ao mesmo tempo. Cada qubit pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo, dependendo de como e quando ele é criado e medido.

Isso aumenta exponencialmente a quantidade de informação armazenável e processável. É o que torna os computadores quânticos capazes, em tese, de fazer cálculos que seriam inviáveis nas máquinas tradicionais (pois levaria um tempo enorme).

Em 2019, pesquisadores do Google demonstraram pela primeira vez a chamada “supremacia quântica”: conseguiram resolver um problema matemático mais depressa do que em supercomputadores convencionais.

O Google diz que esses cálculos, que levaram 200 segundos no computador quântico, demorariam 10 mil anos numa máquina tradicional (a IBM questionou o resultado, e disse que seria possível fazer em menos de três dias).

O ponto é que, com um computador quântico suficientemente poderoso, seria possível quebrar todos os sistemas de criptografia existentes hoje – porque a máquina conseguiria tentar todas as possibilidades de chave privada (a “senha” usada na criptografia) muito mais depressa do que um computador comum.

Isso teria enormes consequências, geopolíticas inclusive: se um país dominar essa tecnologia antes dos outros, conseguirá espionar todas as comunicações do rival (com exceção das feitas via teletransporte quântico, que ainda é primitivo).

Trata-se de um risco real. Tanto é assim que, em julho, o governo dos EUA anunciou a criação dos primeiros quatro algoritmos “resistentes à decriptação quântica” – tão complexos que supostamente não podem ser quebrados nem por um computador quântico.

A verdade é que os computadores quânticos ainda têm limitações. É difícil criar qubits: eles costumam ser feitos com átomos ou elétrons, que são submetidos a temperaturas baixíssimas (para que a sobreposição se manifeste) e manipulados com disparos de laser [veja quadro abaixo].

Os qubits também são bem frágeis, podem facilmente perder suas propriedades especiais. Por isso, as máquinas ainda têm poucos deles. Hoje o processador quântico mais avançado do mundo é o Eagle, da IBM, que trabalha com 127 qubits. O Google tem o Sycamore, de 54 qubits. As duas empresas correm para ver quem consegue criar máquinas com mais bits quânticos (a IBM está prometendo um chip de 1.000 qubits para o ano que vem).

Os computadores quânticos ainda são ferramentas de pesquisa, sem grande serventia prática. Os engenheiros do Google estavam caçando o que fazer com o Sycamore, e foi aí que tiveram a ideia de tentar construir um cristal de tempo.

O processador quântico é perfeito para isso, porque seu interior é extremamente frio (o chip do Google trabalha a -269 graus, apenas 4 acima do “zero absoluto”, a menor temperatura que pode existir), condição necessária para observar certos fenômenos quânticos.

Em julho de 2021, um vasto grupo de pesquisadores espalhados pelo mundo anunciou o resultado: trabalhando em colaboração com o Google, o grupo havia conseguido criar um cristal de tempo (2).

Ele não foi exatamente o primeiro – essa distinção cabe aos cientistas da Universidade de Maryland (3), em 2016. Só que aquele cristal durou menos de 1 milissegundo antes de se desfazer. Não foi muito mais do que uma demonstração. Já o do Google aguentou um tempão: 100 segundos.

Na prática, os cristais de tempo não violam as leis da termodinâmica. Primeiro, porque você precisa disparar um laser para que eles comecem a oscilar (e se você parar de fazer isso, eles também param). Logo, o sistema não cria a própria energia.

A “magia” da coisa é que os átomos não absorvem nadinha, nenhuma fração, do laser. Eles realizam o que os físicos batizaram de “movimento sem energia”. É um tipo diferente de movimento, que não dá para converter em trabalho físico. Não estamos diante de uma máquina de moto-perpétuo.

Mas, por estar dentro de um computador quântico, o cristal talvez possa ser usado como uma espécie de “memória RAM quântica” para o Sycamore e outros processadores desse tipo.

Com isso, a máquina seria capaz de guardar dados na forma quântica (sem precisar convertê-los para os sistemas de armazenamento convencionais), o que poderia torná-la muito mais rápida e capaz.

E, se você conseguir criar um cristal de tempo estável e que suporte a temperatura ambiente, ele poderá ter serventia fora dos computadores quânticos. Em fevereiro, o grupo de Hossein Taheri, da Universidade da Califórnia em Riverside, publicou um estudo (4) sobre algo do tipo: eles geraram um cristal que parece sobreviver à temperatura ambiente.

Os cientistas usaram um arranjo composto por dois feixes de laser, focados em uma peça de fluoreto de magnésio com 1 mm de diâmetro.

Quando os lasers eram disparados nesse alvo, eles espontaneamente passavam a oscilar de forma sincronizada, indicando a formação de um cristal temporal – que, ao contrário dos outros, não se desfazia. “Quando um sistema tem troca de energia com o ambiente, a dissipação e o ruído acabam destruindo a ordem temporal. Na nossa plataforma fotônica, o sistema atinge um equilíbrio, para criar e preservar os cristais de tempo”, declarou Taheri.

A perspectiva de trazer os cristais de tempo para fora do ambiente altamente controlado de laboratório pode torná-los mais do que meras curiosidades da física. Taheri acredita que sistemas como o que ele criou poderão ser usados em transmissores de radiofrequência e relógios ultraprecisos.

O fato é: nossos experimentos e teorias vêm mostrando que a matéria pode assumir formas muito bizarras. Vamos conhecer mais três.

Condensado de Bose-Einstein

Muito do que estamos vendo de revolucionário na criação de estados diferentes da matéria começa com este: o condensado de Bose-Einstein. O nome já entrega quem propôs sua existência: o físico indiano Satyendra Bose, em parceria com Albert Einstein.

A ideia surgiu na década de 1920, e se baseia nos átomos que têm “spin de número inteiro” (ou seja, que voltam ao mesmo estado inicial após dar um giro sobre si mesmos). Bose e Einstein diziam que, se você conseguisse resfriar muito esses átomos,  eles passariam a se comportar em uníssono, como se fossem um só.

Demorou um bocado até que a tecnologia alcançasse essa possibilidade, mas rolou em 1995, quando Eric Cornell e Carl Wieman, na Universidade do Colorado, e Wolfgang Ketterle, no MIT, criaram pela primeira vez esses condensados – a partir de átomos de rubídio e sódio, respectivamente.

Para isso, eles tiveram de resfriar esses materiais a temperaturas de apenas 200 nanokelvins (200 milésimos de milionésimos de grau acima do zero absoluto).

Foram premiados com o Nobel por isso em 2001, e abriram campo para diversos estudos, não só na criação dos próprios condensados (que hoje já foram feitos com moléculas inteiras, e até com partículas de luz), mas no desenvolvimento de outros estados da matéria que se tornam possíveis a partir dos condensados.

Muitos dos experimentos iniciais com cristais de tempo partiram deles, para citar um exemplo. Outra consequência foi a criação dos supersólidos. Eles não são coisa de super-herói, mas também não ficam muito longe. A ideia foi originalmente proposta nos anos 1960, e mistura o conceito de estado sólido com estado superfluido.

O primeiro todo mundo sabe o que é: uma estrutura em que os átomos ficam paradinhos, comportadinhos, no lugar. Já o superfluido é basicamente um material que flui, como a água em estado líquido, mas de um jeito especial, sem gerar qualquer fricção. O supersólido é um material sólido cujos átomos podem se mover sem nenhum atrito.

Ele é feito com um condensado de Bose-Einstein. Primeiro você ultrarresfria os átomos, e aí os manipula cuidadosamente para construir o supersólido: uma estrutura que permita o fluxo, sem fricção, de partes de si mesma em seu interior.

Em 2019, físicos na Itália e na Alemanha criaram um supersólido de uma dimensão – era uma espécie de tubo feito de uma linha reta, sem espessura, ou largura; só comprimento. Em 2021, um grupo da Universidade de Innsbruck, na Áustria, deu o passo seguinte, criando um supersólido de duas dimensões: ele era como se fosse uma folha incrivelmente fina de papel, só com largura e comprimento (sem espessura).

Teremos em breve um tridimensional? Não sabemos, bem como também ainda não temos ideia de para que isso pode servir. No momento, os físicos estão mais preocupados em entender esse estado misterioso da matéria.

Isso também vale para outro estado bem estranho: os pólarons de Rydberg. Eles se baseiam na ideia de que você pode aumentar o tamanho de um átomo: basta excitar os elétrons que orbitam ao redor dele para “voarem” mais alto.

Isso vai aumentar a distância entre o núcleo do átomo e os elétrons em volta dele, criando um espaço onde você pode inserir outros átomos. A fórmula mais simples das transições dos elétrons para níveis mais altos foi apresentada pelo sueco Johannes Rydberg, em 1888 – por isso, os átomos “inchados” são chamados de átomos de Rydberg.

Eles existem tanto na natureza (principalmente no vácuo do espaço sideral, onde os elétrons podem ganhar um monte de energia sem ser perturbados) quanto nos laboratórios aqui na Terra, onde podem ser criados por vários métodos.

Já o pólaron de Rydberg é uma ideia ainda mais maluca: consiste em colocar átomos menores dentro do maior. Para quê? Para ver no que dá. Eis aí mais um experimento que se tornou possível graças aos condensados de Bose-Einstein.

Em 2016, teóricos da Universidade Harvard previram que seria possível inserir até 170 átomos de estrôncio dentro do “orbital” (a nuvem de elétrons) de um átomo de Rydberg. Em 2018, um experimento na Universidade Rice, em Houston, conseguiu fazer isso na prática (5).

“Nós criamos um átomo com muita energia, gigante pelos padrões da física, e ele essencialmente puxou os outros átomos”, disse na época o físico Thomas Killian. Segundo ele, os pólarons talvez tenham aplicações práticas um dia.

Mas o objetivo da experiência é mais simples, e ao mesmo tempo mais profundo. “Nós estamos tentando entender como a natureza se comporta quando juntamos as peças de maneiras diferentes.” Nada se cria, tudo se transforma. 

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Fontes ⁽¹⁾ Quantum technologies in defence & security. M van Amerongen, 2021. ⁽²⁾ Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Xiao Mi e outros, 2021. ⁽³⁾ Observation of a Discrete Time Crystal. J Zhang e outros, 2016. ⁽⁴⁾ All-optical dissipative discrete time crystals. H Taheri e outros, 2022. ⁽⁵⁾ Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas. F Camargo e outros, 2018.