Um cristal do tempo que pulsa no compasso simultâneo da ordem e do caos revelou uma forma inédita de a matéria manter um ritmo temporal.
Em experimentos recentes, cientistas demonstraram o cristal do tempo em rondó (time rondeau crystal): um tipo de cristal do tempo que se repete no tempo, mas nunca exatamente do mesmo modo. No curto prazo, o comportamento parece desordenado; em escalas mais longas, porém, surge um padrão organizado.
Ordem temporal além da repetição perfeita
“Neste trabalho, revelamos a existência de novos tipos de ordem temporal, que surgem de acionamentos não periódicos, mas estruturados”, escreveu uma equipa de físicos liderada por Leo Joon Il Moon, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e Paul Schindler, do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos, na Alemanha.
“Os nossos experimentos mostram que quebrar a periodicidade do acionamento pode levar a novas formas exóticas de ordem temporal parcial”, acrescentam.
Do cristal do tempo ao quasecristal do tempo
Os cristais do tempo foram previstos pela primeira vez, em 2012, pelo físico teórico norte-americano Frank Wilczek e observados experimentalmente em 2016. Eles acrescentam uma camada de complexidade ao “tabuleiro” de átomos que forma os sólidos comuns.
Materiais cristalinos como diamante, quartzo e sal são feitos de redes atômicas tridimensionais em que o arranjo dos átomos se repete. Qualquer porção dessa rede coincide com outra quando sobreposta com o alinhamento correto.
Já um cristal do tempo descreve partículas que percorrem sequências de movimento cuja cadência não é simplesmente ditada pelo tempo de um “empurrão” externo. As partículas oscilam nos seus estados de energia mais baixos seguindo um padrão temporal que se repete - e esse padrão pode ser sobreposto “perfeitamente”, de maneira análoga à repetição espacial de átomos num cristal comum.
Existe ainda o quasecristal do tempo, em que as oscilações são estruturadas, mas não se repetem de forma idêntica - como no ladrilhamento de Penrose, um padrão que nunca se repete exatamente e, ainda assim, obedece a regras rigorosas.
Cristal do tempo em rondó e “ordem em rondó”: repetição com variação
Segundo Moon e colegas, o cristal do tempo em rondó é mais uma variação desse conceito: ele combina repetição e não repetição, ordem e desordem, num arranjo que lembra a forma musical chamada rondó.
“Um padrão composto por um tema recorrente (aqui, ordem estroboscópica) que alterna com um tema de variação contrastante (aqui, desordem temporal de curto prazo) é conhecido, na música clássica, como rondó”, escreveram os pesquisadores.
“Talvez um dos exemplos mais famosos de rondó na música seja o Rondó alla Turca (Marcha Turca), de Mozart; por isso, chamamos esse tipo de ordem temporal de ordem em rondó.”
Como o sistema foi criado: vacâncias no diamante e controle por pulsos
Para produzir o cristal do tempo, a equipa explorou vazios em escala atômica no diamante, chamados vacâncias - posições da rede cristalina onde um átomo deveria estar, mas não há nada. Nesse caso, trata-se de um centro de vacância de nitrogênio, em que um átomo de nitrogênio fica ao lado de um espaço vazio.
Com lasers, os cientistas excitaram esses centros de vacância de nitrogênio e, com isso, hiperpolarizaram os momentos angulares nucleares do carbono-13 no diamante. Em seguida, um gerador programável de formas de onda arbitrárias conduziu esses momentos nucleares por sequências de pulsos com temporização precisa, variando de padrões periódicos a padrões aleatórios.
A equipa acompanhou cuidadosamente centenas de ciclos de acionamento (ou ciclos de pulsos), observando que, em alguns casos, as oscilações do cristal do tempo persistiam por mais de 4 segundos antes de se degradarem.
Desordem por ciclo, ordem no conjunto: o “efeito estroboscópio” no tempo
Nesses poucos segundos, os pesquisadores notaram algo crucial: apesar de haver desordem dentro de cada ciclo de acionamento, o estado global do cristal do tempo reaparecia no início de cada ciclo. Quando o sistema era observado apenas uma vez por ciclo, ele exibia ordem perfeita - tal como uma luz estroboscópica, perfeitamente sincronizada, consegue capturar um padrão repetido numa sequência de imagens de uma roda girando.
Essa coexistência - variação interna em curto prazo e repetição estável quando vista “no ritmo certo” - é justamente a assinatura que aproxima o fenómeno da ideia musical de rondó.
Demonstração de controle: texto codificado na temporização (padrão ASCII)
Na etapa seguinte, para mostrar o grau de controlabilidade do método, os cientistas chegaram a codificar texto diretamente na temporização dos pulsos, usando o padrão ASCII. A frase inserida foi:
“Observação experimental de um cristal do tempo em rondó. Desordem temporal em ordem espaço-temporal”.
Não há, por enquanto, uma aplicação prática direta para esse tipo de codificação; ainda assim, a demonstração sugere caminhos para controlar padrões temporais complexos com grande precisão.
Por que isso importa: novas “fases” de ordem temporal e possíveis usos futuros
Ao introduzir acionamentos não periódicos, mas estruturados, o trabalho abre espaço para investigar novas classes de ordem temporal que não cabem na divisão simples entre “periódico” e “aleatório”. Em termos práticos, isso pode inspirar técnicas de controlo de sistemas quânticos em que se deseja robustez em longo prazo sem exigir repetição rígida a cada instante.
Além disso, a capacidade de sustentar, por vários segundos, uma dinâmica que combina ordem temporal de longo alcance com desordem de micromovimento em curtas escalas pode ser relevante para conceitos ligados a sincronização, metrologia e protocolos de controle em dispositivos quânticos sólidos - especialmente quando a engenharia do material (como centros de vacância em diamante) permite isolar e manipular graus de liberdade com alta fidelidade.
“Os nossos experimentos”, escrevem os autores, “abrem uma avenida promissora para investigar a ordem temporal, demonstrando a coexistência estável e duradoura de ordem temporal de longo alcance e desordem de micromovimento em escalas de tempo curtas”.
O estudo foi publicado na revista Física da Natureza.
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