Os cristais são estruturas de átomos ordenadas espacialmente. São neve, sal, metais ou pedras preciosas. Formas familiares? No entanto, os cristais nunca param de surpreender os cientistas.
Eles se distinguem dos líquidos e gases pela sua repetição estrutural em todos os pontos do sólido. Isso quer dizer que a maioria dos cristais apresenta uma regularidade no espaço: se os movermos uma certa distância – o que chamamos de “translação” – eles permanecem idênticos no espaço.
Por outro lado, outros podem reproduzir a simetria ao longo do tempo. Eles são então conhecidos como cristais do tempo. Estes últimos foram teorizados em 2012 pelo ganhador do Prêmio Nobel de Física Frank Wilczek e descobertos experimentalmente em setembro e outubro de 2016 por físicos americanos das Universidades de Maryland e Harvard. Este tipo de cristal, portanto, muda espontaneamente de estado em uma frequência regular, oscilando de forma estável. Como um pêndulo, sua estrutura assume posições variáveis que se repetem ao longo do tempo.
Cristais batendo ao ritmo do tempo
Estes objetos singulares são destacados num estudo publicado em 16 de outubro de 2025 por uma colaboração finlandesa-britânica em Comunicações da Natureza. Ele detalha a interação única entre um cristal de tempo contínuo e um oscilador mecânico.
Os físicos resfriaram o hélio-3 a uma temperatura próxima do zero absoluto (-273,15°C). O gás é então liquefeito e transformado em superfluido, um estado quântico em que o fluido flui sem resistência. Um cristal temporal é então formado em seu interior, denominado “contínuo”, porque seu arranjo regular de átomos retorna ao mesmo estado em intervalos de tempo regulares (ou periódicos). Ao contrário dos chamados cristais de tempo “discretos”, cujo comportamento depende de forçamento externo (como um laser cuja temperatura provoca a sua transformação), os cristais de tempo contínuo evoluem livremente, ao seu próprio ritmo, sem estimulação externa.
A experiência é única devido ao acoplamento entre o cristal e um oscilador mecânico. Esta dupla, que combina óptica e mecânica, corresponde a um sistema optomecânico, “porque a estrutura cristalina pode ser comparada a um oscilador óptico como uma cavidade”explica a Ciência e Futuro Jere Mäkinen, autor principal da pesquisa e físico da Universidade de Aalto (Finlândia), é especialista em estruturas topológicas – as fases da matéria que respondem pelas deformações de um sistema – e sua dinâmica em superfluidos topológicos.
Este princípio optomecânico já é utilizado em detectores de ondas gravitacionais, incluindo LIGOVirgem e KAGRA. Podemos imaginá-lo como o efeito combinado de dois instrumentos que não tocam a mesma nota, mas que concordam suficientemente para criar harmónicos comuns. “Isso permite em particular para extrair ou adicionar quanta de energia (pacotes de energia, nota do editor) em modo mecânico. Esta é a razão pela qualEste acoplamento permite que os dois sistemas, com energias e frequências próprias, interajam de forma controlada. Sendo o cristal considerado uma cavidade óptica, sua frequência é modulada pelo modo mecânico“, como explicado em Sciences et Avenir Jere Makinen,
Representação de um cristal de gelo, ilustrando a rigidez e o brilho da matéria condensada. Créditos: Pixabay.
Para várias aplicações
Ainda segundo o investigador finlandês, o maior resultado da ligação entre um cristal temporal e um sistema mecânico reside na “demonstração concreta do comportamento optomecânico”um processo bem conhecido em física experimental. Esta configuração comum permite também realizar medições extremamente sensíveis, em particular o arrefecimento de um modo mecânico, que se caracteriza por um movimento de oscilação gerado por uma excitação (devido a uma perturbação) do sistema em torno de um estado de equilíbrio.
Levando em consideração as vantagens do cristal de tempo contínuo, múltiplas aplicações podem ser consideradas, incluindo “a detecção de matéria escura”, desenvolvido Jere Mäkinen, especificando que ele seria determinar onde procurar “uma partícula sensível a uma determinada frequência para medir variações extremamente pequenas de energia”. Em outras palavras, a estrutura cristalina atuaria como um sensor de energia ultrassensível.
Além disso, outro uso do cristal poderia ser o memória quântica “devido à sua estabilidade e longa vida útil” e sua incorporação em um “O computador quântico permitiria preservar a coerência por muito tempo, mas coloca o problema inevitável de transformar um sistema num estado quântico único”relata o físico finlandês ao Ciência e Futuro.
Ao combinar um cristal de tempo contínuo com um oscilador mecânico, os pesquisadores estão abrindo uma nova era para a física quântica. Um passo inovador que, no futuro, poderá fazer o tempo vibrar no coração das tecnologias quânticas.