Quando o tempo se cristaliza: a primeira observação de um cristal espaço-temporal em um gás quântico superfluido

Cientistas observam, pela primeira vez, uma estrutura que se repete no espaço e no tempo, abrindo caminho para novas fases da matéria.

Imagine uma estrutura que se repete no tempo. Literalmente.

Parece coisa de ficção científica, mas é pura física. Recentemente, pesquisadores conseguiram observar algo inédito: um “cristal” que pulsa com regularidade no tempo, além de ter um padrão fixo no espaço.

Sim, é exatamente isso: um cristal espaço-temporal. E essa descoberta, feita com átomos ultrafrios em um estado quântico chamado superfluido, pode abrir as portas para novas fronteiras na ciência, e até inspirar avanços em tecnologias como a computação quântica.

O que é um cristal espaço-temporal?

Você provavelmente já viu cristais, seja em pedras preciosas, gelo ou sal. Eles são estruturas que repetem um padrão no espaço.

Mas e se essa repetição ocorresse também no tempo? Esse conceito, proposto pelo físico Frank Wilczek em 2012, parecia ousado demais para ser real. Afinal, a ideia de algo se repetir indefinidamente no tempo, sem gasto de energia, desafia nossas noções tradicionais de equilíbrio e simetria.

A solução veio com uma modificação do conceito: os cristais espaço-temporais são estruturas que oscilam em intervalos regulares, como um relógio, mas sem a necessidade de serem “empurradas” continuamente. E agora, pela primeira vez, cientistas os observaram diretamente.

O que o estudo descobriu

Pesquisadores da Universidade de Utrecht, nos Países Baixos, utilizaram átomos resfriados quase ao zero absoluto para criar um gás quântico superfluido, um estado exótico da matéria onde os átomos se movem como uma única entidade, sem fricção.

Ao aplicar uma excitação periódica nesse sistema e observar sua evolução, eles viram padrões regulares se formando tanto no espaço quanto no tempo. Ou seja: os átomos se organizavam de maneira repetitiva não apenas em termos de posição, mas também em seu comportamento ao longo do tempo.

Esse padrão foi visível diretamente nas imagens experimentais, algo que nunca havia sido registrado antes nesse tipo de sistema.

Como o experimento foi feito

O processo começou com o resfriamento de átomos até temperaturas extremamente baixas, criando um gás quântico superfluido. Em seguida, os pesquisadores aplicaram uma excitação rítmica ao sistema, algo como balançar uma tigela de gelatina muito delicada.

O que surpreendeu foi que, mesmo após o estímulo inicial, o sistema começou a responder com um novo ritmo, diferente do que havia sido imposto. Ele “escolheu” um padrão de oscilação próprio, de forma espontânea, o que os cientistas chamam de quebra espontânea de simetria temporal.

Esse comportamento foi analisado com ferramentas matemáticas e visuais, como imagens por contraste de fase e transformadas de Fourier, que confirmaram a periodicidade espaço-temporal.

Por que isso importa?

A observação de cristais espaço-temporais é mais do que uma curiosidade. Ela pode abrir caminho para o estudo de novas fases da matéria fora do equilíbrio, ou seja, sistemas que não estão em repouso ou estabilidade, mas ainda assim exibem ordem e regularidade.

Esses sistemas são fundamentais para entender fenômenos complexos na natureza e também para desenvolver tecnologias emergentes, como computadores quânticos, que dependem de manipulação precisa de estados quânticos em movimento.

Além disso, a descoberta aprofunda nossa compreensão sobre simetrias físicas, princípios fundamentais que regem as leis da natureza, e mostra que ainda há muito a explorar sobre como o tempo e o espaço se entrelaçam em nível quântico.

Conclusão

A confirmação experimental de um cristal espaço-temporal é um marco histórico na física moderna. Com essa descoberta, deixamos de lado a ideia de que a simetria do tempo é inviolável e passamos a considerar novas formas de ordem no universo.

Mais do que uma curiosidade teórica, esse experimento nos mostra que a matéria ainda guarda muitos segredos, e que, ao observar padrões que dançam no tempo e no espaço, podemos descobrir novos caminhos para a ciência e a tecnologia do futuro.

Referência:
Smits, J., Liao, L., Stoof, H. T. C., & van der Straten, P. (2018). Observation of a space-time crystal in a superfluid quantum gas. arXiv:1807.05904. Disponível em: https://arxiv.org/abs/1807.05904. Acesso em: 3 jun. 2025.