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Um átomo de Rydberg tem um elétron que está muito longe do núcleo. Crédito: TU Wien
Pesquisadores criaram um estado extremamente exótico da matéria. Seus átomos têm um diâmetro cem vezes maior que o normal.
Cristais de tempo, originalmente propostos pelo ganhador do prêmio Nobel Frank Wilczek em 2012, agora foram criados com sucesso usando átomos de Rydberg e luz laser na Universidade Tsinghua na China, com suporte teórico da TU Wien na Áustria. Este novo estado da matéria não se repete no espaço como os cristais tradicionais, mas no tempo, exibindo ritmos periódicos espontâneos sem um estímulo externo, um fenômeno conhecido como quebra espontânea de simetria.
Um cristal é um arranjo de átomos que se repete no espaço, em intervalos regulares: em cada ponto, o cristal parece exatamente o mesmo. Em 2012, o ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek levantou a questão: Poderia haver também um cristal de tempo – um objeto que se repete não no espaço, mas no tempo? E poderia ser possível que um ritmo periódico surja, mesmo que nenhum ritmo específico seja imposto ao sistema e a interação entre as partículas seja completamente independente do tempo?
Durante anos, a ideia de Frank Wilczek causou muita controvérsia. Alguns consideraram os cristais de tempo como impossíveis em princípio, enquanto outros tentaram encontrar brechas e realizar cristais de tempo sob certas condições especiais. Agora, um tipo particularmente espetacular de cristal de tempo foi criado com sucesso na Universidade de Tsinghua, na China, com o apoio da TU Wien, na Áustria. A equipe usou luz laser e tipos muito especiais de átomos, ou seja, átomos de Rydberg, com um diâmetro que é várias centenas de vezes maior do que o normal. Os resultados foram publicados no periódico Física da Natureza.
Quebra espontânea de simetria
O tique-taque de um relógio também é um exemplo de um movimento temporalmente periódico. No entanto, ele não acontece por si só: alguém deve ter dado corda no relógio e iniciado em um determinado momento. Esse momento inicial então determinou o tempo dos tique-taques. É diferente com um cristal de tempo: de acordo com a ideia de Wilczek, uma periodicidade deve surgir espontaneamente, embora não haja, na verdade, nenhuma diferença física entre diferentes pontos no tempo.
“A frequência do tique é predeterminada pelas propriedades físicas do sistema, mas os momentos em que o tique ocorre são completamente aleatórios; isso é conhecido como quebra espontânea de simetria”, explica o Prof. Thomas Pohl do Instituto de Física Teórica da TU Wien.
Um sistema estático com uma entrada contínua de luz leva a sinais periódicos dependentes do tempo. Crédito: TU Wien
Thomas Pohl foi o responsável pela parte teórica do trabalho de pesquisa que agora levou à descoberta de um cristal de tempo na Universidade Tsinghua, na China: luz laser foi projetada em um recipiente de vidro cheio de um gás de átomos de rubídio. A força do sinal de luz que chegou na outra extremidade do recipiente foi medida.
“Este é, na verdade, um experimento estático no qual nenhum ritmo específico é imposto ao sistema”, diz Thomas Pohl. “As interações entre luz e átomos são sempre as mesmas, o feixe de laser tem uma intensidade constante. Mas, surpreendentemente, descobriu-se que a intensidade que chega na outra extremidade da célula de vidro começa a oscilar em padrões altamente regulares.”
Átomos gigantes
A chave do experimento era preparar os átomos de uma maneira especial: os elétrons de um átomo podem orbitar o núcleo em diferentes caminhos, dependendo de quanta energia eles têm. Se energia for adicionada ao elétron mais externo de um átomo, sua distância do núcleo atômico pode se tornar muito grande. Em casos extremos, ele pode estar várias centenas de vezes mais distante do núcleo do que o normal. Dessa forma, átomos com uma camada eletrônica gigante são criados – os chamados átomos de Rydberg.
“Se os átomos em nosso recipiente de vidro forem preparados em tais estados Rydberg e seu diâmetro se tornar enorme, então as forças entre esses átomos também se tornarão muito grandes”, explica Thomas Pohl. “E isso, por sua vez, muda a maneira como eles interagem com o laser. Se você escolher a luz do laser de tal forma que ela possa excitar dois estados Rydberg diferentes em cada átomo ao mesmo tempo, então um loop de feedback é gerado que causa oscilações espontâneas entre os dois estados atômicos. Isso, por sua vez, também leva à absorção de luz oscilante.” Sozinhos, os átomos gigantes tropeçam em uma batida regular, e essa batida é traduzida no ritmo da intensidade da luz que chega ao final do recipiente de vidro.
“Criamos um novo sistema aqui que fornece uma plataforma poderosa para aprofundar nossa compreensão do fenômeno do cristal de tempo de uma forma que se aproxima muito da ideia original de Frank Wilczek”, diz Thomas Pohl. “Oscilações precisas e autossustentadas podem ser usadas para sensores, por exemplo. Átomos gigantes com estados de Rydberg já foram usados com sucesso para tais técnicas em outros contextos.”
Referência: “Cristal de tempo dissipativo em um gás Rydberg fortemente interativo” por Xiaoling Wu, Zhuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Chao Liang, Meng Khoon Tey, Xiangliang Li, Thomas Pohl e Li You, 2 de julho de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9