No entanto, a ordem também pode surgir de uma maneira muito mais surpreendente — por conta própria, sem nenhum cronômetro externo. Quando inúmeras partículas interagem de formas complexas, elas podem spontaneamente se organizar em um ritmo repetitivo, em vez de se comportarem de forma caótica. Esse fenômeno é conhecido como “cristal do tempo”. Pesquisadores da TU Wien (Viena) demonstraram que cristais do tempo podem se formar através de um mecanismo completamente diferente do que os cientistas acreditavam ser possível. Seus cálculos revelam que correlações quânticas entre partículas, que antes eram vistas como um obstáculo para esses padrões, podem, na verdade, ajudar a estabilizá-los. Essa descoberta oferece uma nova perspectiva sobre como comportamentos coletivos emergem em sistemas quânticos de muitas partículas.

Cristais espaciais e cristais do tempo

Quando um líquido congela, suas partículas passam do desordem para a ordem. No estado líquido, as partículas se movem livremente e aleatoriamente, sem mostrar um padrão particular. À medida que o líquido se solidifica, as partículas se travam em posições precisas, formando uma estrutura espacial regular e repetitiva — um cristal. Um líquido é uniforme em todas as direções, mas em um cristal essa simetria é quebrada: ele ganha estrutura, com certas direções se tornando distintas das outras.

Poderia um tipo semelhante de quebra de simetria ocorrer ao longo do tempo em vez de no espaço? Poderia um sistema quântico que inicialmente se comporta de forma idêntica a cada momento desenvolver espontaneamente um padrão temporal repetitivo — um ritmo que marca a emergência da ordem no próprio tempo?

Flutuações quânticas: prejudiciais ou úteis?

“Essa questão tem sido objeto de intensas pesquisas em física quântica por mais de dez anos,” diz Felix Russo, do Instituto de Física Teórica da TU Wien, que está realizando pesquisas para sua tese de doutorado na equipe do Prof. Thomas Pohl. De fato, foi demonstrado que cristais do tempo são possíveis — sistemas em que um ritmo temporal é estabelecido sem que a batida seja imposta de fora.

“No entanto, acreditava-se que isso só era possível em sistemas muito específicos, como gases quânticos, cuja física pode ser bem descrita por valores médios sem levar em conta as flutuações aleatórias que são inevitáveis na física quântica,” diz Felix Russo. “Agora mostramos que são precisamente as correlações físico-quânticas entre as partículas, que antes pensávamos impedir a formação de cristais do tempo, que podem levar ao surgimento de fases cristalinas temporais.”

As complexas interações quânticas entre as partículas induzem comportamentos coletivos que não podem ser explicados no nível das partículas individuais — semelhante a como a fumaça de uma vela apagada pode às vezes formar uma série regular de anéis de fumaça; um fenômeno cujo ritmo não é ditado por fora e que não pode ser compreendido a partir de partículas de fumaça únicas.

Partículas na rede de laser

“Estamos investigando uma rede bidimensional de partículas mantidas em posição por feixes de laser,” diz Felix Russo. “E aqui podemos mostrar que o estado da rede começa a oscilar — devido à interação quântica entre as partículas.”

A pesquisa oferece a oportunidade de entender melhor a teoria de sistemas quânticos de muitas partículas — abrindo caminho para novas tecnologias quânticas ou técnicas de medição quântica de alta precisão.