Os cristais convencionais são materiais nos quais os átomos se organizam em padrões espaciais repetitivos. Os cristais temporais, por outro lado, são fases da matéria caracterizadas por movimentos repetitivos ao longo do tempo sem aquecimento constante, quebrando uma regra física conhecida como simetria de translação temporal.

Pesquisadores da Universidade Normal do Leste da China e da Universidade Jiao Tong de Xangai previram recentemente a formação de um novo tipo de cristal temporal, denominado cristal temporal moiré bidimensional (2D). Teorizou-se que esse cristal surge quando perturbações periódicas (ou seja, distúrbios regulares e repetidos) são aplicadas a átomos ultrafrios mantidos em uma armadilha contínua e lisa, em oposição a uma armadilha de rede óptica. O artigo foi publicado na revista Physical Review Letters .

"Fomos inspirados por dois conceitos fascinantes da física", disse Keye Zhang, professor da Universidade Normal do Leste da China e coautor sênior do artigo. "O primeiro é o conceito de 'twistrônica', onde a torção de camadas ultrafinas cria padrões de moiré com propriedades exóticas dos materiais. O segundo é o de 'cristais de tempo' (uma nova fase da matéria com movimento rítmico persistente). Nos perguntamos: será que poderíamos combinar essas ideias tratando o próprio tempo como uma dimensão que pode ser 'torcida'?"

Os padrões de moiré são padrões únicos que surgem quando dois sistemas físicos semelhantes são colocados um sobre o outro com uma ligeira discrepância. Zhang e seus colegas queriam demonstrar teoricamente que os padrões de moiré também podem surgir puramente no tempo, sem a necessidade de empilhar fisicamente quaisquer materiais, e apresentar um modelo para realizar experimentalmente esses cristais temporais de moiré usando átomos ultrafrios aprisionados.

"Imagine átomos ultrafrios confinados em uma caixa lisa e sem estrutura", explicou Zhang. "Nós 'agitamos' essa caixa com feixes de laser ou campos magnéticos que oscilam em múltiplas frequências cuidadosamente escolhidas. Essas frequências ressoam com o movimento natural dos átomos, fazendo com que eles se organizem espontaneamente em um padrão de rede moiré 2D perfeito, mas em um 'espaço de fase' abstrato em vez do espaço real. Em seguida, identificamos as condições sob as quais esse padrão pode ser mapeado sem distorção na dimensão temporal física ou na dimensão espacial."

Para examinar mais a fundo o sistema sobre o qual teorizaram, os pesquisadores também realizaram simulações envolvendo milhares de átomos interagindo. Eles mostraram que os átomos nos cristais temporais de moiré simulados formavam um superfluido regional , uma fase da matéria que flui com viscosidade zero (ou seja, sem atrito interno) e na qual a coerência quântica segue o padrão de moiré projetado pelos pesquisadores no espaço, no tempo ou em ambos.

"Nosso estudo estende a twistrônica da física puramente espacial para a dimensão temporal", disse Zhang. "Demonstramos que padrões de moiré 2D podem emergir do próprio 'tempo', criando uma nova plataforma — um cristal temporal de moiré que oferece extrema capacidade de ajuste. Simplesmente ajustando as sequências de pulsos de laser, podemos projetar dinamicamente as propriedades de materiais quânticos sem alterar nenhum hardware."

Os cristais temporais de moiré bidimensionais apresentados pelos autores podem em breve inspirar novas pesquisas nessa área ou abrir caminho para a realização experimental desses cristais. Zhang e seus colegas estão agora buscando colaborações com físicos experimentais com o objetivo de realizar os sistemas previstos em laboratório, utilizando átomos frios.

No futuro, seus esforços poderão contribuir para o projeto de novos materiais que exibem fases quânticas programáveis e que poderão ser usados para desenvolver novas tecnologias quânticas. Enquanto isso, eles estão explorando teoricamente o possível surgimento de outras fases quânticas exóticas nesse tipo de cristal temporal.

"Em breve, também pretendemos explorar estados quânticos mais exóticos dentro desses cristais temporais, como fases topológicas e de forte correlação", acrescentou Zhang. "A estrutura também se estende naturalmente a três dimensões, podendo levar a 'cristais espaço-temporais' ideais — sistemas com ordem periódica perfeita em todas as dimensões espaciais e temporais. Estamos entusiasmados para ver aonde essa nova abordagem para projetar matéria quântica nos levará."