Físicos observam uma nova fase temporal: o cristal de tempo 'rondeau'

Físicos observam uma nova fase temporal: o cristal de tempo 'rondeau'

Resumo

Pesquisadores relatam a realização experimental de uma fase temporal que denominam cristal "rondeau". O sistema apresenta um padrão estável e repetível quando amostrado uma vez por ciclo de drive, permitindo, ao mesmo tempo, uma desordem deliberadamente variada e de curta duração entre esses pontos de amostragem. O experimento utilizou spins nucleares de carbono-13 em diamante e sequências de pulsos de micro-ondas projetadas para estabilizar o ritmo.

O que é um cristal de tempo?

Um cristal de tempo é uma fase de não equilíbrio na qual um sistema de muitos corpos excitado exibe uma ordem temporal persistente que quebra a simetria de translação temporal do drive. Neste caso, o cristal rondeau combina a repetição de longo prazo, de ciclo a ciclo, com a variação intraciclo controlada.

Plataforma experimental e métodos

O experimento utilizou uma plataforma de simulador quântico de diamante contendo defeitos de nitrogênio-vacância (NV) acoplados a spins nucleares de carbono-13 que ocorrem naturalmente. Controles ópticos e de micro-ondas foram aplicados para hiperpolarizar o conjunto de carbono-13 e para realizar a leitura da dinâmica coletiva de spin com alta fidelidade.

Os pesquisadores programaram sequências de drive projetadas — incluindo estruturas intraciclo estritamente periódicas, quasi-periódicas e intencionalmente aleatorizadas — usando um gerador de formas de onda arbitrárias para controlar a temporização e a forma dos pulsos de micro-ondas. Ao medir a resposta coletiva de spin ao longo de muitos ciclos de drive, a equipe identificou uma ordem estroboscópica de longa duração, apesar do micromovimento ruidoso dentro dos ciclos individuais.

Principais observações

• Quando observada uma vez por ciclo de drive, a configuração coletiva de spin repetia-se com alta fidelidade, demonstrando ordem estroboscópica.
• A desordem introduzida em cada ciclo não destruiu o padrão de repetição de longo prazo quando as medições foram feitas estroboscopicamente.
• Os tempos de vida estroboscópicos excederam quatro segundos em algumas execuções, correspondendo à observação de mais de cem períodos de drive e permitindo a análise espectral da dinâmica.

Significância e aplicações potenciais

Limitações e direções futuras

A demonstração é uma prova de conceito, e não uma tecnologia pronta. Ela dependeu de uma hiperpolarização cuidadosa, controle de micro-ondas de baixo ruído e leitura precisa. Embora os tempos de coerência tenham sido longos para um conjunto de muitos corpos em estado sólido à temperatura ambiente, eles permanecem curtos em comparação com memórias de qubits projetadas. Trabalhos futuros poderiam investigar outros materiais hospedeiros, espécies de spin alternativas e eletrônica de controle aprimorada para estender os tempos de vida e aumentar a sensibilidade.

Implicações mais amplas

Conceitualmente, o cristal rondeau ilustra que a quebra de simetria temporal pode sustentar uma estrutura em camadas: ordem estável em escalas de tempo amplas coexistindo com desordem deliberada em escalas mais finas. Isso reflete fenômenos em materiais espaciais onde alguns graus de liberdade são ordenados enquanto outros são desordenados, e sugere novas maneiras de organizar informações e comportamento coerente em sistemas quânticos excitados.

Perspectivas

A observação de um cristal de tempo rondeau oferece uma nova plataforma para o estudo de fases de não equilíbrio e para o desenvolvimento de técnicas de controle que exploram a estrutura temporal. Transformar essas descobertas em ferramentas práticas de sensoriamento ou processamento de informações exigirá melhorias adicionais nos materiais e no controle para alcançar tempos de coerência mais longos e maior robustez.