کشف نوع جدیدی از ماده با نام کریستال زمانی تایید شد !

MacTavish · 25/8/19

نظریه کریستال زمانی (Time Crystal)، به عنوان نوع جدیدی از ماده برای اولین بار در سال 2012 مطرح شد؛ اکنون با گذشت 5 سال از آن تاریخ، دانشمندان خبر از ساخت آنان می‌دهند! فاز جدیدی از ماده با عنوان کریستال‌های زمانی، برای اولین بار ایجاد و مورد بررسی قرار گرفت.

در یک کریستال معمولی، اتم‌ها مطابق با یک الگوی مشخص خود را در بُعد مکان تکرار می‌کنند. در حالی که این عمل در مورد کریستال‌های زمانی، در بُعد زمان انجام می‌گیرد. احتمال وجود این نوع ماده، اولین بار توسط فرانک آنتونی ویلچک (Frank Anthony Wilczek) فیزیکدان برجسته‌ی آمریکایی مطرح و پس از آن، به دلیل قوانین تعادل رد شد. برای مدتی طولانی، دانشمندان برای مطالعه ماده به ویژگی اصلی آن با نام “تعادل” تکیه می‌کردند، اما این بار به نظر می‌رسد که کشف نوع جدیدی از ماده‌ها بدون این ویژگی اصلی نیز امکان‌پذیر گشته‌ است!

کشف کریستال زمانی ، یک فاز کاملا جدید از ماده را به تایید می‌رساند که از ویژگی “تعادل” برخوردار نیست!

فرانک آنتونی ویلچک به عنوان فیزیکدان، ریاضی‌دان و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل و یکی از اساتید دانشگاه MIT، اولین قدم در این زمینه را در سال 2012 برداشت. او با الهام‌گیری از این مفهوم، معتقد بود که تکرار اتم‌های یک کریستال، علاوه بر بُعد مکان، در بُعد زمان نیز امکان‌پذیر است. طی سال‌های بعد، مقاله‌های متعددی به صورت مخالف یا موافق با این نظریه منتشر شدند. برخی از مقاله‌ها، امکان ناپذیر بودن این نظریه را مورد بررسی قرار داده و برخی دیگر با ارائه مستنداتی، راهکارهای بالقوه برای ساخت کریستال زمانی را پیشنهاد دادند.

در سال 2016 یک تیم از دانشگاه کالیفرنیا، به بررسی چگونگی ساخت کریستال‌های زمانی در محیط آزمایشگاهی پرداختند. در نهایت همین تکنیک منجر به کشف نهایی نوع جدید از ماده با نام کریستال زمانی شد. نورمن یائو (Norman Yao) به عنوان یکی از اعضای تیم UC Berkeley و از محققین این مطالعه، با یک مثال جالب میزان عجیب و غریب بودن این ماده را برایتان به تصویر می‌کشاند.

ضربه زدن به یک ظرف ژله‌ای را در نظر بگیرید،‌ با این کار ذرات ژله شروع به لرزش کرده و پس از مدتی به حالت ثابت در می‌آیند. لرزش دوباره‌ی ژله، مشروط به تکرار ضربه‌ی شما به ظرف است. اما این مسئله در مورد کریستال‌های زمانی صدق نمی‌کند؛ چرا که این حرکت به صورت دائمی و بدون صرف انرژی انجام خواهد شد. این واکنش توسط کریستال زمانی، برای بیننده تا حد بسیاری غیرممکن به نظر می‌رسد! چرا که لرزش اتم‌های آن در بازه‌های زمانی مشخصی دوباره تکرار می‌شوند.

نورمن یائو، در بیانیه‌ای در ماه ژانویه اظهار داشت:

تصور کنید که شما به ظرفی از ژله ضربه وارد کنید و نتیجه‌ی آن را در قالب لرزش‌هایی در بازه‌های زمانی ببینید! چنین اتفاقی در مورد ظرف ژله بسیار عجیب و غریب است، اما در مورد کریستال‌های زمان اینطور نیست! در این سیستم یک محرک تناوبی با دوره تناوب “T” وجود دارد. اما بنابر دلایلی، شخص بیننده سیستم را به صورت نوسان‌دار و با دوره‌ای بزرگ‌تر از “T” مشاهده می‌کند.

در اکثر مواد شناخته شده در طبیعت، اتم‌های داغ، انرزی حرارتی را به اتم‌های سردتر در مجاور خود منتقل می‌کنند. این عمل تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که تمامی اتم‌ها به یک دمای یکسان و متعادل برسند. در چنین حالتی در اصطلاح گفته می‌شود که اتم‌ها به تعادل گرمایی رسیده‌اند. اما کریستال زمانی هیچ‌گاه به این حالت نمی‌رسد! تکرار الگوی جنبش آنان در طول زمان، نشان‌دهنده‌ی یک حرکت دائمی است. همین ویژگی باعث می‌شود که کریستال زمانی، به عنوان ماده‌ای با ویژگی “عدم تعادل” شناخته شود که از آن می‌توان به عنوان فاز کاملا جدیدی از ماده نام برد.

اندرو پاتر (Andrew Potter) به عنوان یکی از محققین این مطالعه اضافه کرد:

اکتشاف جدید در زمینه کریستال زمانی ، راه را برای کشف نوع جدیدی از ماده‌ها، با ویژگی عدم تعادل باز می‌کند. یافته‌های فعلی، طی چند سال گذشته تاکنون در محیط‌های آزمایشگاهی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته‌اند. ما امیدوار هستیم که کریستال‌های زمانی اولین نمونه‌ از این اکتشاف جدید بوده و نمونه‌های بعدی نیز در آینده شناسایی شوند.

برای ساخت کریستال‌های زمانی، محققان از یون‌های عنصر ایتربیم استفاده کردند. در ابتدا این یون‌ها به صورت الکتریکی در حالت معلق قرار گرفته و سپس با پالس‌های لیزری، آنان را به حرکت وادار کردند. با حرکت دادن منظم یون‌ها توسط لیزر، یک الگوی تکرار شونده در آنان شکل گرفت.

این متد به نظر خیلی ساده و ابتدایی می‌آید، اما نکته کلیدی اینجاست که با 2 پالس از اشعه‌ی لیزر، یون‌ها تنها یک بار تکان می‌خوردند. این بدان معناست که الگو در مقیاس زمانی بزرگتری نسبت به انرژی محرکه (لیزر) کار می‌کرد. این درست همانطور همان چیزی‌ست که تیم مطالعاتی انتظار داشت، در واقع این آزمایش ساخت یک کریستال زمانی را به تایید می‌رساند.

با وجود آنکه که تصور کاربرد این اکتشاف بسیار زود است، اما محققین بر این باور هستند که اکتشاف نوع جدیدی از ماده با ویژگی عدم تعادل، می‌ـواند در محاسبات کوانتومی، دسته بندی و یا انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد.