انتشار این مقاله


کریستال‌‌های زمان؛ از رؤیا تا واقعیت

زیر سایۀ پیشرفت‌های اخیر، کریستال‌های زمان دیگر یک رؤیای دوردست نیستند. اگر ساختار اتمی کریستال‌ در فضا تکرار می‌شود تا شکل بلور به خود بگیرد – مانند شبکۀ کربنی الماس – چه مانعی وجود دارد که چنین ساختاری در زمان تکرار نشود؟ در آن صورت چه خواهیم داشت؟ کریستال زمان؟ دکتر یائو (Yao) و همکارانش […]

زیر سایۀ پیشرفت‌های اخیر، کریستال‌های زمان دیگر یک رؤیای دوردست نیستند.

اگر ساختار اتمی کریستال‌ در فضا تکرار می‌شود تا شکل بلور به خود بگیرد – مانند شبکۀ کربنی الماس – چه مانعی وجود دارد که چنین ساختاری در زمان تکرار نشود؟ در آن صورت چه خواهیم داشت؟ کریستال زمان؟

فیزیک‌دانان دانشگاه مری‌لند با پیاده‌سازی طرح پیشنهاد شده از سوی N.Y. Yao (و همکاران) و با استفاده از زنجیره‌ای تک‌بعدی از یون‌های ایتربیم، توانستند اولین کریستال زمانی را بسازند؛ هر یون رفتاری همانند یک اسپین الکترون بروز می‌دهد و تعاملات دوربردی (فلش‌ها) با سایر یون‌ها دارد. امتیاز تصویر: J. Zhang et al.

دکتر یائو (Yao) و همکارانش از دانشگاه کالیفرنیا برکلی (University of California Berkeley) در مقاله‌ای که ۱۸ام ژانویه در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد، به توضیح نحوۀ ساخت و سنجش خصوصیات یک کریستال زمان (Time Crystal) پرداخته؛ و حتی چگونگی پیش‌بینی ماهیت (چیستی) فازهای احاطه‌کنندۀ یک کریستال زمان را شرح داده‌ بودند.

این صرفاً یک حدس و گمان نبود. اخیراً دو گروه تحقیقاتی از دانشگاه‌های مری‌لند (Maryland) و هاروارد (Harvard) توانسته‌اند با عملی‌سازی طرح محققان برکلی، اولین کریستال‌های زمانی را خلق کنند. این موفقیت بزرگ در قالب دو گزارش جداگانه (گزارش اول و دوم) در وبسایت arXiv (یک بایگانی نوشتار‌های علمی است و به صورت Archive تلفط می‌شود) انتشار یافته است.

دکتر یائو توضیح می‌دهد:

کریستال‌های زمانی در زمان تکرار می‌شوند؛ چرا که به صورت دوره‌ای شوت می‌شوند، مانند ضربه زدن [با نوک انگشت] به ژله که باعث لرزش آن می‌شود. این پیشرفت بزرگ [که حاصل شده است] این است که این کریستال‌ها صرفاً یک حالت تکرارشونده در زمان نبوده؛ بلکه اولین گروه از دستۀ بزرگی از مواد جدیدی می‌باشند که به صورت ذاتی فاقد تعادل‌اند و نمی‌توانند ساکن شده و به تعادل بی‌حرکت یاقوت و یا الماس دست‌یابند. این فاز جدیدی از ماده است که [اتفاقاً] خیلی هم جالب می‌باشد چرا که اولین گونه از مواد غیرتعادلی (Non-equilibrium) محسوب می‌شود. ما در پنچاه سال گذشته به دنبال مواد تعادلی – نظیر فلزات و عایق‌ها – بوده‌ایم. ولی هم‌اکنون در حال مکاشفۀ بعد کاملاً جدیدی از مواد غیرتعادلی هستیم.

در حالی که تصور نوع کاربرد چنین کریستال‌هایی برای دکنر یائو سخت است، عده‌ای صحبت‌هایی در رابطه با پتانسبل بالای فازهای مواد غیرتعادلی در صنعت حافظه و ذخیره‌سازی اطلاعات (حافطۀ RAM مثلاً) و به خصوص کامپیوترهای کوانتومی (Quantum Computer) مطرح نموده‌اند.

این نمودار گویای این مطلب است که چگونه تغییر دادن پارامترهای آزمایشگاهی، می‌تواند منجر به “ذوب شدن” کریستال زمان و تبدیل آن به یک عایق؛ و یا اگرم نمودن و افزایش دمای آن شود. امتیاز تصویر: N.Y. Yao et al.

تئوری کریستال‌های زمان، اصلاً در سال ۲۰۱۲ از سوی فرنک ویلچک (Frank Wilczek) مطرح شده بود. چهار سال بعد، گروهی از فیزیک‌دانان نظری دانشگاه‌های پرینستون (Princeton) و کالیفرنیا سانتا باربارا (California Santa Barbara) امکان ساخت چنین کریستال‌هایی را تأیید نمودند.

دکتر یائو تیم تحقیقاتی خود را به “پلی میان ایدۀ نظری و پیاده‌سازی عملی” تشبیه می‌کند. وی ادامه می‌دهد:

از دیدگاه مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها قادر به تشکیل کریستال‌هایی هستند که هیچ‌گونه سنخیتی با تقارن انتقالی فضایی (Spatial Translation Symmetry، جابه‌جایی شکل هندسی به‌ وسیلۀ برداری ثابت به‌ طوری‌ که شکل حاصل با شکل اولی قابل انطباق باشد) [که در] آرایش سه‌بعدی منظم اتم‌ها [مشاهده می‌شود] ندارد. این موجب شکسته‌شدن تقارن ماده شده و در نهایت به خواص منحصربه‌فرد و پایداری منتهی می‌شود که ما آن را “کریستال” تعریف می‌کنیم.

گروه هاروارد توانست کریستال زمانی خود را با استفاده از مراکز تخلیۀ نیتروژنی (Nitrogen-Vacancy Center) متراکم موجود در الماس(ها) بسازد. (N-V Center یکی از نقایص کریستالوگرافیک الماس محسوب می‌شود). اما کریستال گروه مری‌لند از یک خط کونگای (Conga line، نوعی رقص) متشکل از ۱۰ یون ایتربیم (Ytterbium) – که اسپین‌های الکترونی‌شان با یک‌دیگر تعامل دارند – بهره می‌برد؛ چیزی که در سیستم‌های کیوبیتی (Qubit System) مورد استفاده در رایانه‌های کوانتومی دیده می‌شود.

محققان جهت جلوگیری از رسیدن یون‌ها به تعادل، آن‌ها را با دو دستگاه لیزر مجزا مورد هدف قرار دادند؛ لیزر اول جهت ایجاد یک میدان مغناطیسی مؤثر و دومی هم نیز جهت وارونه نمودن نسبی اسپین (Spin) اتم‌ها به کار گرفته شد؛ این مراحل بارها تکرار شدند. در نتیجۀ تعامل بین اسپین‌ها، اتم‌ها وارد یک الگوی تکراری و پایدار از اسپین-فلیپ (Spin-flip، تغییر در جهت اوربیتالی الکترون) می‌شوند که شاخصۀ اصلی یک کریستال است.

کریستال زمان، تقارن زمانی را می‌شکند. در این مورد به خصوص، میدان مغناطیسی و لیزر که به صورت دوره‌ای موجب رانده‌شدن اتم‌های ایتربیم می‌شود؛ یک سلسلۀ تکراری در سیستم – با دو برابر دورۀ تناوب لیزر – ایجاد می‌کند که نمی‌توان چنین حالتی را در یک سیستم معمولی مشاهده نمود.

دکتر یائو صحبت‌های خود را این چنین تکمیل می‌کند:

این فوق‌العاده عجیب نیست که ژله را بلرزانید (با ضربات نوک انگشت) و متوجه شوید که این ژله با یک دورۀ (تناوب) دیگر پاسخ می‌دهد؟ اما این شالودۀ یک کریستال زمان است. شما یک درایور دوره‌ای (Periodic Driver، ابزاری که در آزمایش به صورت دوره‌ای جهت وارونه کردن اسپین‌های الکترونی استفاده می‌شود) با تناوب T دارید، ولی سیستم به نحوی خود را هماهنگ می‌کند که در نهایت نوسان‌هایی با تناوب بزرگ‌تر از T انجام می‌دهد.

یائو همکاری نزدیکی با فیزیک‌دانان مری‌لند داشته و نقش گسترده‌ای نیز در بررسی و تأیید پایداری کریستال [ساخته شده در] مری‌لند ایفا نموده است. وی هم‌چنین چگونگی تغییر فار کریستال‌های زمان را – تحت میدان‌های مغناطیسی و پالس‌های لیزر متفاوت – نیز توضیح داده است.

میلاد شیرولیلو


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *