Primeiro cristal de tempo visível criado por cientistas

Cientistas criaram o primeiro cristal de tempo visível - matéria que se repete ao longo do tempo em vez de no espaço - revelando uma fase em que os padrões internos se reiteram ciclicamente sem deixarem de ser observáveis.

O nome pode soar a ficção científica, mas este resultado mostra que o 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 indiretos.

Forma visível de cristal de tempo

Num recipiente fino de vidro, um material de cristal líquido gerou riscas móveis que continuavam a regressar ao mesmo desenho, mesmo sob iluminação constante.

Ao seguir essas bandas que se repetiam, Hanqing Zhao, da Universidade do Colorado Boulder (CU Boulder), registou o fenómeno como uma forma visível de cristal de tempo - um material cujo padrão interno se repete no tempo, em vez de permanecer fixo no espaço.

Ao contrário de demonstrações anteriores, em que o comportamento só podia ser inferido por medições indiretas, aqui o padrão mantém-se diretamente observável ao microscópio.

Essa visibilidade aproxima o fenómeno de experiências de rotina e obriga a explicar como é que um movimento repetitivo deste tipo consegue persistir.

Origens dos cristais de tempo

Em 2012, Frank Wilczek propôs os cristais de tempo como um tipo de ordem totalmente novo. A ideia era que os cristais comuns repetem o seu padrão no espaço, enquanto os cristais de tempo voltariam ao mesmo estado de instante para instante.

A versão original de Wilczek não resistiu a testes teóricos posteriores, mas serviu de impulso para que os físicos procurassem variantes em sistemas forçados e versões contínuas.

É este percurso que ajuda a perceber por que motivo um exemplo visível soa diferente de demonstrações anteriores que tinham de ser lidas apenas através de indicadores indiretos.

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 podem fluir, mas preservam o alinhamento molecular.

A luz azul alterou o corante na superfície e essa transformação comprimiu as moléculas próximas, levando a camada a reorganizar-se.

À medida que a luz mudava de direção no interior da célula, a retroação foi-se acumulando e originou milhares de dobras móveis por toda a amostra.

“Tudo nasce do nada. Basta apontar uma luz, e este mundo inteiro de cristais de tempo emerge”, disse Ivan Smalyukh, professor de Física e investigador do Renewable and Sustainable Energy Institute na Universidade do Colorado Boulder.

Porque é que o padrão dura

Depois de surgirem, as riscas não se dissiparam de imediato nem ficaram congeladas; em vez disso, mantiveram ciclos locais durante horas.

Variações de temperatura e mudanças na intensidade da luz só alteraram modestamente o ritmo, porque as dobras em interação continuavam a prender-se mutuamente.

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

Essa robustez ajuda a distinguir o fenómeno como uma fase organizada da matéria, e não como um efeito ótico passageiro.

Para lá do laboratório quântico

Até este resultado, a maioria das experiências com cristais de tempo acontecia em hardware quântico ou em configurações ultrafrias que não podem ser simplesmente observadas ao microscópio.

Um marco conhecido usou o processador Sycamore da Google, onde impulsos repetidos geraram o mesmo comportamento recorrente em dezenas de qubits.

Outro estudo descreveu uma versão contínua, mas o sinal continuava a exigir leitura indireta.

Ao comparar as novas riscas com esses trabalhos anteriores, torna-se mais claro o avanço: a visibilidade muda o quão facilmente os cientistas podem explorar e confrontar o movimento.

Porque a visibilidade importa

Com observação direta, os investigadores conseguem acompanhar o tempo, os defeitos e a degradação do padrão sem primeiro traduzirem sinais laser.

“Podem ser observados diretamente ao microscópio e até, em condições especiais, a olho nu”, disse Hanqing Zhao, então estudante de doutoramento em Física na Universidade do Colorado Boulder.

Este acesso pode acelerar testes fundamentais, porque é possível ajustar a amostra e ver de imediato como o movimento organizado reage.

Também reduz a barreira de entrada para novas experiências - um fator relevante se, no futuro, os engenheiros quiserem dispositivos práticos e não apenas curiosidades raras de laboratório.

Segurança em movimento

Uma aplicação possível é usar estes padrões móveis como uma marca de água temporal, visível apenas sob a iluminação correta.

Uma nota falsificada pode copiar uma imagem estática, mas terá dificuldade em reproduzir um padrão que muda com um ritmo preciso.

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

Por enquanto, esta possibilidade permanece especulativa, mas a física oferece um elemento em movimento incorporado que a impressão convencional não imita facilmente.

Dados ao longo do tempo

Ao empilhar padrões visíveis, os investigadores podem criar um código de barras temporal, em que a informação existe tanto na imagem como no seu ciclo.

Essa coordenada temporal adicional pode aumentar a densidade de armazenamento, porque o mesmo ponto pode significar coisas diferentes em momentos diferentes.

As estimativas apontam que um código de barras bidimensional estendido no tempo poderia suportar mais de 100.000 bits por segundo.

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

Limites do sistema

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

A luz mantém o padrão ao orientar as moléculas da superfície, enquanto o material apenas repete o seu comportamento em vez de produzir trabalho útil.

Os investigadores ainda precisam de perceber durante quanto tempo dispositivos maiores conseguem manter-se sincronizados e quanto ruído a produção em condições reais introduziria.

Esses limites práticos distinguem um efeito de laboratório - belo e controlado - de um produto, e irão moldar a próxima ronda de experiências.

Cristais de tempo e estudo futuro

Ordem visível, movimento auto-sustentado e uma cadência invulgarmente estável tornam este material um caso raro em que uma ideia abstrata da Física se torna concreta.

O trabalho futuro dirá se estas riscas em movimento ficam como curiosidade ou se evoluem para marcas, memórias e ferramentas óticas.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Materials.