بلورهای زمانی چگونه ساخته شده‌اند: فرمی جدید و عجیب از ماده

اثبات برخی از پیش‌بینی‌ها در فیزیک نظری، مانند موج‌های گرانشی انیشتین و بوزون هیگز، دهه‌ها به طول انجامید. هر از چندگاهی  یک پیش‌بینی می‌‌تواند در مدت‌زمانی بسیار کوتاه به امری مسلم تبدیل شود. چنین اتفاقی برای بلورهای زمانی افتاد: فرمی جدید و عجیب از ماده که مراحل نظریه‌پردازی، رد کردن، تصحیح و ساخت آن تنها ۵ سال از پیش‌بینی آن در ۲۰۱۲ زمان برد.

داستان بلورهای زمانی، از سال ۲۰۱۲ آغاز می‌‌شود. فرانک ویلچک، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل از دانشگاه ام‌آی‌تی، فیزیکدان نظری و ریاضیدان است. او با تبدیل ویژگی کلیدی بلورهای معمول، شکستن تقارن، سعی در ساخت ایده‌ی بلور زمانی داشت.

برای آن‌که با مفهوم شکستن تقارن آشنا شوید، به آب فکر کنید. در یک قطره‌ی آب، مولکول‌ها به‌راحتی حرکت می‌‌کنند و به‌راحتی با مایع به هر جایی می‌‌روند. مایع در هر جهت، به یک شکل است؛ یعنی درجه‌ی تقارن بالایی دارد. اگر آب منجمد شود تا یخ تشکیل دهد، نیروهای جاذبه‌ی بین مولکول‌ها، آن‌ها را وادار می‌‌کنند تا در ساختاری بلوری که در آن مولکول‌ها در فواصلی منظم نسبت به یکدیگر قرار دارند، مرتب شوند. این مرتب شدن به این معنا است که بلور به‌اندازه‌ی مایع متقارن نیست؛ بنابراین می‌‌گوییم تقارن مایع، وقتی منجمد می‌‌شود، می‌‌شکند.

شکستن تقارن، یکی از مفاهیم عمیق در فیزیک است. این مفهوم فقط مختص شکل‌گیری بلورها نیست و در بسیاری از فرایندهای بنیادی دیگر هم دیده می‌‌شود. برای مثال، در مکانیزم معروف هیگز که توضیح می‌‌دهد چگونه ذرات زیر اتمی، جرم را ایجاد می‌‌کنند، یک پروسه‌ی شکستن تقارن وجود دارد.

در سال ۲۰۱۲ ویلچک ایده‌ای وسوسه‌انگیز ارائه کرد. او فکر می‌‌کرد همان‌طور که یک بلور، تقارن را در فضا می‌‌شکند؛ آیا می‌‌توان بلوری ساخت که تقارنی معادل در زمان را بشکند؟ این نخستین بار بود که ایده‌ی بلورهای زمانی نظریه‌پردازی می‌شد.

چنین پدیده‌ای در زمان یک نظم ذاتی دارد که با الگوی منظم کریستال در فضا همسان است. الگوی یک بلور زمانی، می‌‌تواند تغییری رفت و برگشتی در یکی از خصوصیات فیزیکی آن باشد، نوعی ضربان که تا ابد ادامه دارد یا مانند یک ماشین حرکت دائمی است.

ماشین‌های حرکت دائمی، نوعی ماشین هستند که می‌‌توانند تا بی‌نهایت بدون هیچ منبع انرژی‌ای کار کنند و در فیزیک پذیرفته نیستند. ویلچک این خاصیت عجیب نظریه‌ی بلورهای زمانی‌اش را تشخیص داد. در سال ۲۰۱۵، گروه دیگری از فیزیکدانان نظری، نشان دادند که وجود بلوری با حرکت دائمی قطعا ممکن نخواهد بود.

اما این پایان داستان نبود. در سال ۲۰۱۶، پژوهشی جدید نشان داد که بلورهای زمانی در صورتی می‌‌توانند از لحاظ نظری وجود داشته باشند که یک نیروی قوی خارجی حاضر باشد. ایده‌ی آن‌ها این بود که نظم زمانی می‌‌تواند از دیدها پنهان باشد؛ در نتیجه، افزودن کمی انرژی می‌‌تواند آن را نشان دهد. همین امر بود که پارادوکس حرکت دائمی را حل کرد و امیدهای تازه‌ای در مورد وجود بلورهای زمانی با خود به همراه داشت.

پس از آن، در تابستان ۲۰۱۶، شرایط ساخت و مشاهده‌ی بلورهای زمانی در مقاله‌ای در ژورنال Physical Review Letters بیان شد. پژوهشگران بررسی کردند که چگونه ویژگی خاصی از ذرات، یعنی اسپین کوانتومی، می‌‌تواند به‌صورت منظم و تکرارپذیر توسط نیرویی خارجی تغییر کند. آن‌ها پیش‌بینی کردند که اگر آن‌ها این نیرو را به ذرات اعمال کنند، برهم‌کنش‌های بین ذرات، نوسان‌های اسپینی خاص خود را تولید خواهد کرد و بلور زمانی را خواهند ساخت.

در مدت چند ماه، دو تیم تجربی متفاوت، تصمیم گرفتند بلورهای زمانی را در آزمایشگاه بسازند. یکی از این تیم‌ها، با شلیک پالس‌های لیزر به قطاری از اتم‌های ایتربیوم و با فواصل متفاوت پالس، نوسانی در خواص اتمی ایجاد کرد. این امر بدین معنا است که اتم‌های ایتربیوم به‌عنوان بلور زمانی عمل می‌‌کردند.

تیم دیگر، بر سیستمی کاملا متفاوت که شامل بلور الماسی با ناخالصی بود، تمرکز داشت. آن‌ها با استفاده از امواج مایکروویو، ناخالصی‌ها را در فواصلی تعریف‌شده، برهم زدند و نوسانات بلورهای زمانی مشابه تیم نخست را مشاهده کردند. در نهایت، بلورهای زمانی ساخته شدند و صحت ایده‌های اصلی ویلچک ثابت شد.

پیش‌بینی، تحقق و کشف بلورهای زمانی، فصلی جدید در مکانیک کوانتومی با سؤال‌هایی در مورد ویژگی‌های این فرم جدید از ماده و احتمال وجود این بلورها در طبیعت می‌‌گشاید.

داستان بلورهای زمانی  با ایده‌ای زیبا از  یک فیزیکدان نظری آغاز شد و اکنون نخستین فصل آن با شواهد تجربی قطعی و پس از ۵ سال به اوج خود رسیده است. درحالی‌که دانشمندان ایده‌های بزرگ خود را ثابت می‌‌کنند، به نظر می‌‌رسد علم فیزیک نیز از هر زمان دیگری زنده‌تر است.