Físicos ligam dois cristais do tempo em experimento aparentemente impossível

Os físicos criaram um sistema de dois cristais de tempo conectados, que são estranhos sistemas quânticos presos em um loop infinito ao qual as leis normais da termodinâmica não se aplicam. Ao conectar dois cristais do tempo, os físicos esperam usar a tecnologia para construir um novo tipo de computador quântico.

“É um privilégio raro explorar uma fase completamente nova da matéria”, disse Samuli Autti, cientista-chefe do projeto da Universidade de Lancaster, no Reino Unido, à Live Science por e-mail.

Do cristal ao cristal do tempo

Encontramos cristais normais o tempo todo na vida cotidiana, desde o gelo em um coquetel até os diamantes em joias. Embora os cristais sejam bonitos, para um físico eles representam uma quebra das simetrias normais da natureza.

As leis da física são simétricas através do espaço. Isso significa que as equações fundamentais de gravidade ou eletromagnetismo ou mecânica quântica se aplicam igualmente em todo o volume do universo. Eles também trabalham em qualquer direção. Assim, um experimento de laboratório que é girado 90 graus deve produzir os mesmos resultados (tudo o mais sendo igual, é claro).

Mas em um cristal, essa linda simetria é quebrada. As moléculas de um cristal se organizam em uma direção preferida, criando uma estrutura espacial repetitiva. No jargão dos físicos, um cristal é um exemplo perfeito de “quebra espontânea de simetria” – as leis fundamentais da física permanecem simétricas, mas o arranjo das moléculas não.

Em 2012, o físico Frank Wilczek, do Massachusetts Institute of Technology, notou que as leis da física também possuem uma simetria temporal. Isso significa que qualquer experimento repetido posteriormente Tempo deve produzir o mesmo resultado. Wilczek fez uma analogia com os cristais normais, mas na dimensão do tempo, apelidando essa simetria espontânea rompendo o tempo de cristal do tempo. Alguns anos depois, os físicos finalmente conseguiram construir um.

Segredos quânticos

“Um cristal do tempo continua se movendo e se repete periodicamente no tempo na ausência de encorajamento externo”, disse Autti. Isso é possível porque o cristal do tempo está em seu estado de energia mais baixo. As regras básicas da mecânica quântica impedem que o movimento fique completamente parado e, assim, o cristal do tempo permanece “preso” em seu ciclo interminável.

“Isso significa que são máquinas de movimento perpétuo e, portanto, impossíveis”, observou Autti.

o leis da termodinâmica sugerem que sistemas em equilíbrio tendem a mais entropia, ou desordem – uma xícara de café parada sempre esfriará, um pêndulo acabará parando de balançar e a bola rolando no chão eventualmente parará. Mas um cristal do tempo desafia isso, ou simplesmente o ignora, porque as regras da termodinâmica não parecem se aplicar a ele. Em vez disso, os cristais do tempo estão sujeitos à mecânica quântica, as regras que governam o zoológico de partículas subatômicas.

“Na física quântica, uma máquina de movimento perpétuo está bem desde que mantenhamos os olhos fechados, e ela só deve começar a desacelerar se observarmos o movimento”, disse Autti, referindo-se ao fato de que os estados exóticos da mecânica quântica necessários para o tempo os cristais não podem continuar operando uma vez que interagem com seu ambiente (por exemplo, se os observarmos).

Isso implica que os físicos não podem observar diretamente os cristais do tempo. No momento em que eles tentam assistir a um, as regras quânticas que permitem que eles existam quebram, e o cristal do tempo para. E esse conceito se estende além da observação: qualquer interação forte o suficiente com o ambiente externo que destrua o estado quântico do cristal do tempo fará com que ele deixe de ser um cristal do tempo.

Foi aí que a equipe de Autti entrou, tentando encontrar uma maneira de interagir com um cristal de tempo quântico por meio de observações clássicas. Na menor escala, a física quântica reina. Mas insetos e gatos e planetas e buracos negros são melhor descritos pelas regras determinísticas da mecânica clássica.

“O continuum da física quântica à física clássica permanece pouco compreendido. Como um se torna o outro é um dos mistérios pendentes da física moderna. Os cristais do tempo abrangem uma parte da interface entre os dois mundos. Talvez possamos aprender a remover a interface estudando detalhadamente os cristais do tempo”, disse Autti.

Magnões mágicos

No novo estudo, Autti e sua equipe usaram “magnons” para construir seu cristal do tempo. Magnons são “quasipartículas”, que emergem no estado coletivo de um grupo de átomos. Nesse caso, a equipe de físicos pegou o hélio-3 – um átomo de hélio com dois prótons, mas apenas um nêutron – e o resfriou a um décimo de milésimo de grau acima do zero absoluto. A essa temperatura, o hélio-3 se transformou em um condensado de Bose-Einstein, onde todos os átomos compartilham um estado quântico comum e trabalham em conjunto.

Nesse condensado, todos os spins dos elétrons do hélio-3 se ligaram e trabalharam juntos, gerando ondas de energia magnética, os magnons. Essas ondas balançavam para frente e para trás para sempre, tornando-as um cristal do tempo.

A equipe de Autti pegou dois grupos de magnons, cada um operando como seu próprio cristal do tempo, e os aproximou o suficiente para influenciar um ao outro. O sistema combinado de magnons agiu como um cristal de tempo com dois estados diferentes.

A equipe de Autti espera que seus experimentos possam esclarecer a relação entre a física quântica e a clássica. Seu objetivo é construir cristais do tempo que interagem com seus ambientes sem que os estados quânticos se desintegrem, permitindo que o cristal do tempo continue funcionando enquanto é usado para outra coisa. Não significaria energia livre – o movimento associado a um cristal do tempo não tem energia cinética no sentido usual, mas poderia ser usado para computação quântica.

Ter dois estados é importante, porque essa é a base da computação. Nos sistemas computacionais clássicos, a unidade básica de informação é um bit, que pode assumir o estado 0 ou 1, enquanto na computação quântica, cada “qubit” pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo, permitindo muito mais computação. potência.

“Isso pode significar que os cristais do tempo podem ser usados como um bloco de construção para dispositivos quânticos que funcionam também fora do laboratório. Em tal empreendimento, o sistema de dois níveis que criamos agora seria um bloco de construção básico”, disse Autti.

Este trabalho está atualmente muito longe de um computador quântico funcional, mas abre caminhos interessantes de pesquisa. Se os cientistas puderem manipular o sistema de dois cristais de tempo sem destruir seus estados quânticos, eles poderiam construir sistemas maiores de cristais de tempo que servem como verdadeiros dispositivos computacionais.