دانشمندان کشف یک فاز کاملا جدید از ماده را تأیید کردند: کریستال‌ های زمان

 چند ماهی است که گمان می‌رود دانشمندان در نهایت موفق به ایجاد کریستال‌های زمان شده‌اند؛ کریستال‌هایی با ساختاری اتمی که نه‌تنها در فضا بلکه در زمان نیز تکرار می‌شوند که باعث نوسان ثابت و بدون انرژی آن‌ها می‌شود. حالا این خبر به‌صورت رسمی تأیید شده است و دانشمندان جزئیات نحوه‌ی ساخت و اندازه‌گیری این کریستال‌های عجیب و غریب را گزارش کرده‌اند.

 دو گروه مستقل از دانشمندان ادعا کرده‌اند که کریستال‌های زمان را با استفاده از یک طرح آزمایشگاهی ساخته‌اند که وجود یک فاز کاملا جدید از ماده را تأیید می‌کند. این کشف ممکن است بسیار انتزاعی به‌ نظر برسد؛ اما نوید دوره‌ای کاملا جدید در فیزیک می‌دهد. برای چندین دهه، ما در حال مطالعه‌ی موادی بوده‌ایم که به‌عنوان مواد «در حال تعادل» تعریف شده‌اند؛ از جمله فلزات و عایق‌ها.

اما پیش‌بینی می‌شود تعداد بسیار بیشتری از حالات ناشناخته و غیرعادی مواد، همچون کریستال‌های زمان، در جهان وجود داشته باشد که نامتعادل هستند و ما حتی شروع به جستجو برای آن‌ها نکرده‌ایمِ اما می‌دانیم آن‌ها واقعی هستند.

این واقعیت که ما اکنون اولین نمونه‌ی ماده‌ی نامتعادل را شناخته‌ایم، می‌تواند نقاط عطفی در درک ما از جهان پیرامونمان ایجاد کند؛ همان‌طور که تکنولوژی‌های جدید همچون محاسبه‌ی کوانتومی این کار را انجام دادند.

سرپرست تیم تحقیقاتی، نورمن یائو از دانشگاه برکلی کالیفرنیا می‌گوید:

این یک فاز جدید از ماده است؛ اما جالب‌تر اینکه این از نخستین نمونه‌های ماده‌ی نامتعادل است. در نیم‌قرن اخیر، ما در حال مطالعه در مورد مواد متعادل، همچون فلزات و عایق‌ها بوده‌ایم. اما حالا جستجو در حوزه‌ی کاملا جدید مواد نامتعادل را شروع می‌کنیم.

اجازه دهید چند ثانیه به عقب برگردیم، چراکه مفهوم کریستال‌های زمان چند سالی است که پدیدار شده است. نخستین بار فیزیک‌دان تئوری برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، فرانک ویلچک، در سال ۲۰۱۲ پیش‌بینی کرد کریستال‌های زمان ساختارهایی هستند که حتی در پایین‌ترین سطح انرژی خود، یعنی حالت پایه، دارای حرکت هستند.

معمولا هنگامی‌که ماده‌ای در حالت پایه  - که به‌عنوان سیستم با سطح انرژی صفر نیز شناخته می‌شود - قرار داشته باشد، از دیدگاه تئوری وجود حرکت در آن باید غیرممکن باشد؛ چراکه برای ایجاد حرکت، لازم است انرژی مصرف شود. اما ویلچک پیش‌بینی کرد این قانون در مورد کریستال‌های زمان صادق نخواهد بود.

کریستال‌های معمولی ساختاری دارند که در فضا تکرار می‌شود، درست شبیه شبکه‌ی کربنی یک الماس. اما آن‌ها دقیقا مشابه یک یاقوت یا الماس، بی‌حرکت هستند؛ چراکه در حالت پایه‌ی خود در تعادل هستند. اما کریستال‌های زمان ساختاری دارند که نه‌تنها در فضا، بلکه در زمان نیز تکرار می‌شوند و در حالت پایه‌ی خود ارتعاش دارند.

می‌توان آن‌ها را شبیه ژله تصور کرد که وقتی به آن‌ ضربه زده شود، مرتبا تکان می‌خورد. همین اتفاق در کریستال‌های زمان نیز می‌افتد، اما تفاوت بزرگ این است که حرکت بدون هرگونه انرژی رخ می‌دهد. کریستال زمان شبیه ژله‌ای است که در حالت پایه و طبیعی خود دائما در حال ارتعاش است و این همان چیزی است که آن را به یک فاز کاملا جدید از ماده تبدیل می‌کند: ماده‌ای نامتعادل.

اما پیش‌بینی کردن وجود این کریستال‌های زمان یک موضوع و ساختن آن‌ها یک موضوع کاملا متفاوت است؛ موضوعی که در تحقیق جدید به آن پرداخته شده است. یائو و تیمش طرح جدیدی ارائه داده‌اند که توصیف می‌کند چگونه می‌توان ویژگی‌های کریستال زمان را ایجاد و اندازه‌گیری کرد و حتی پیش‌بینی کرد که فازهای مختلف اطراف کریستال‌های زمان چگونه باید باشند؛ یعنی هم‌ارز فازهای جامد، مایع و گاز را برای فاز جدید ماده تشریح کرده‌اند.

یائو مقاله‌ی خود را که در نشریه‌ی Physical Review Letters چاپ شده است، به‌عنوان «پلی بین ایده‌ی نظری و اجرای عملی» می‌داند. این ایده دیگر حدس و گمان نیست؛ بر اساس طرح یائو دو تیم مستقل (یکی از دانشگاه مریلند و دیگری از دانشگاه هاروارد) با پیروی از دستورالعمل موفق به ساخت کریستال‌های زمانی خود شده‌اند. نتایج این دو مطالعه در انتهای سال گذشته در سایت arXiv.org (اینجا و اینجا) منتشر و برای چاپ در نشریات معتبر علمی ثبت شده‌ است. یائو یکی از نویسندگان مشترک هر دو مقاله است.

درحالی‌که در انتظار چاپ این دو مقاله هستیم، باید در مورد این دو ادعا تردید کرد. اما این حقیقت که دو تیم مجزا از یک طرح برای ساختن کریستال‌های زمان در دو سیستم کاملا متفاوت استفاده کرده‌اند، امیدوارکننده است.  

کریستال‌های زمان دانشگاه مریلند با چیدن ۱۰ یون ایتربیوم در یک خط، همگی با اسپین‌های الکترون گرفتار، ساخته شده‌اند. کلید اصلی تبدیل این چیدمان به کریستال زمان، نگه‌ داشتن یون‌ها خارج از تعادل است که برای انجام این کار، دانشمندان به‌صورت متناوب با استفاده از دو لیزر به آن‌ها شلیک کردند. یکی از لیزرها میدان مغناطیسی ایجاد و دیگری به‌صورت جزئی به اسپین اتم‌ها ضربه وارد کرده است.

به دلیل اینکه اسپین اتم‌ها گرفتار شده بود، اتم‌ها در یک الگوی پایدار تکرارشونده از نوسان اسپین‌ها به ثبات رسیدند که معرف یک کریستال است. این کار به‌اندازه‌ی کافی طبیعی بود، اما برای تبدیل شدن به کریستال زمان، سیستم باید تقارن زمان را می‌شکست. با مشاهده‌ی خط اتم‌های ایتربیوم، محققان متوجه رفتاری عجیب از آن شدند. لیزرهایی که به‌صورت متناوب در حال ضربه زدن به اتم‌های ایتربیوم بودند، در حال ایجاد یک تکرار در سیستم بودند که دو برابر دوره‌ی تناوب ضربه‌ها بود؛ اتفاقی که در یک سیستم طبیعی رخ نمی‌دهد.

یائو می‌گوید:

این فوق‌العاده عجیب است که یک ژله را تکان دهید و ببینید که با دوره‌ی تناوبی متفاوت پاسخ دهد. این ماهیت کریستال زمان است. شما یک عامل ایجاد تناوب با دوره‌ی تناوب T دارید، اما سیستم به نحوی هماهنگ می‌شود که مشاهده می‌کنید با دوره‌ی تناوبی بیشتر از T نوسان می‌کند.

کریستال زمان می‌تواند تحت میدان‌های مغناطیسی و ضربات لیزر مختلف، تغییر فاز دهد؛ درست شبیه ذوب شدن یخ.

کریستال زمان دانشگاه هاروارد متفاوت بود. محققان این دانشگاه با پر کردن فضاهای خالی درون الماس با نیتروژن بسیار چگال، کریستال زمان را ایجاد کردند؛ اما نتیجه یکسان بود.

فیل ریچرمن از دانشگاه ایندیانا، که در این تحقیق مشارکت نداشت، دیدگاه خود را در مورد این تحقیق این‌چنین توضیح می‌دهد:

چنین نتایج مشابهی که از دو سیستم کاملا متفاوت حاصل شده است، مؤید این است که کریستال‌های زمان یک فاز کاملا جدید از ماده هستند، نه یک استثناء منتسب به سیستم‌های خاص با مقیاس کوچک یا بزرگ. مشاهده‌ی کریستال‌های زمان مجزا، تأیید می‌کند که شکستن تقارن می‌تواند در ماهیت تمام عرصه‌های طبیعی رخ دهد و بدین ترتیب چندین شاه‌راه جدید در زمینه‌ی تحقیقات برای ما نمایان می‌شود.

 نظر شما چیست؟ آیا با شکستن تقارن‌ها می‌توان فازهای جدیدی از ماده کشف کرد؟ آیا این فازهای جدید ماده صرفا نتایجی انتزاعی و آزمایشگاهی هستند یا می‌توانیم نمونه‌هایی واقعی از آن‌ها را در طبیعت مشاهده کنیم؟