شکل‌گیری یک کریستال زمان واقعی در دمای اتاق ممکن شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران دانشگاه تسینگهوا چین با همکاری نظریه‌پردازانی از دانشگاه فناوری وین موفق شدند برای نخستین‌بار پدیده‌ای را مشاهده کنند که مدت‌ها تنها در حد فرضیه‌ای علمی باقی مانده بود: شکل‌گیری یک کریستال زمان واقعی در دمای اتاق با استفاده از بخار روبیدیوم و اتم‌های رایبرگ.

به گزارش earth در سال ۲۰۱۲ فرانک ویلچک فیزیکدان نظری و برنده نوبل، این سؤال را مطرح کرد که آیا همانند آرایش فضایی اتم‌ها در یک کریستال معمولی، می‌توان تقارن را در زمان نیز شکست و ساختاری داشت که با ضرب‌آهنگی خود‌انگیخته، برای همیشه در زمان تکرار شود. حالا، بیش از یک دهه بعد، پژوهشگران این رویا را به واقعیت نزدیک کرده‌اند.

کریستال‌های زمان چگونه متفاوت‌اند؟

بر خلاف کریستال‌های فضایی که تقارن را در فضا می‌شکنند، کریستال‌های زمان، الگو‌های تکرارشونده‌ای در زمان ایجاد می‌کنند و تقارن زمانی سیستم را می‌شکنند؛ به‌عبارتی مانند دانه برف که سطح یکنواخت یک دریاچه را می‌شکند، کریستال زمان یکنواختی ساعت را بر هم می‌زند. این پدیده به‌واسطه شکستن خودبه‌خودی تقارن رخ می‌دهد و حتی بدون نیروی خارجی نیز پایدار باقی می‌ماند.

پیشرفت‌های گذشته و محدودیت‌ها

از سال ۲۰۱۷ که نخستین شواهد از کریستال‌های زمان گسسته در تله‌های یونی به دست آمد، تا سال ۲۰۲۲ که نسخه‌های پیوسته در کاواک‌های نوری به نمایش درآمدند، شواهد تجربی برای این پدیده به‌سرعت رشد کرده است. اما هریک از این سامانه‌ها با محدودیت‌هایی مواجه بودند: از جمله نیاز به دما‌های بسیار پایین، طول عمر کوتاه پدیده، یا پیچیدگی‌های فنی.

سامانه جدیدی که توسط تیم تسینگهوا توسعه یافته، بر پایه بخار روبیدیوم در دمای اتاق عمل می‌کند و توانسته برای چند صد میلی‌ثانیه، نوساناتی پایدار ثبت کند؛ مدت‌زمانی که امکان مشاهده هزاران چرخه را فراهم می‌آورد.

اتم‌های رایبرگ بازیگران اصلی

در قلب این آزمایش، اتم‌های رایبرگ قرار دارند: اتم‌هایی که در آنها الکترون خارجی به حدی از هسته فاصله می‌گیرد که اندازه اتم تا حدود یک میکرون (چندین برابر اندازه معمول) افزایش می‌یابد. این اتم‌های متورم، میدان‌های الکتریکی تقویت‌شده‌ای دارند که به آنها اجازه می‌دهد از فواصل دور بر یکدیگر اثرگذار باشند و نوعی تعامل جمعی قدرتمند ایجاد کنند.

پژوهشگران با استفاده از دو لیزر که هر یک یک سطح انرژی متفاوت را در این اتم‌ها تحریک می‌کرد، وضعیتی رقابتی ایجاد کردند که به «چرخه‌های محدود» منجر شد؛ نوساناتی که در نور عبوری از سلول بخار، به‌صورت موج‌هایی منظم ثبت شدند. درست مانند جمعیتی که همزمان شروع به کف زدن می‌کنند، اتم‌ها نیز به یک ضرب‌آهنگ مشترک قفل شدند.

سیگنال پایدار امضای کریستال زمان پیوسته

نکته قابل‌توجه آن است که در طول این آزمایش، هیچ تغییری در شدت یا فرکانس لیزر‌ها ایجاد نشد، اما نور عبوری با پریود‌های مشخص در حد چند میکروثانیه نوسان می‌کرد؛ این نظم خودانگیخته، نشانه‌ای کلاسیک از یک کریستال زمان پیوسته است.

تحلیل فوریه‌ای داده‌ها، «شانه‌هایی» از قله‌های طیفی را نشان داد که با فرکانس نوسان اصلی فاصله‌گذاری شده‌اند. این قله‌ها در ابتدای هر آزمایش کمی جابه‌جا می‌شدند، اما سپس به مجموعه‌ای پایدار تبدیل می‌شدند؛ لحظه‌ای که کریستال به نظم بلندبرد زمانی دست می‌یافت.

تابع «خودهمبستگی» که معیاری استاندارد برای سنجش نظم است نیز ثابت باقی ماند و نشان داد الگوی ایجادشده با گذر زمان محو نمی‌شود، موضوعی که برای اثبات شکستن واقعی تقارن ضروری است.

مقاومت در برابر اغتشاشات

در آزمایشی دیگر تیم پژوهشی شدت نور لیزر کاوشگر را با نویز تصادفی مختل کرد تا پایداری پدیده را بیازماید. کریستال در برابر نویز‌های ضعیف مقاومت نشان داد و فقط در سطوح بسیار بالای اغتشاش کنتراست نوسانات کاهش یافت. حتی در آن شرایط نیز، فرکانس اصلی نوسان تا لحظه محو کامل سیگنال حفظ شد.

پیش‌تر مشخص شده بود که یک سطح رایبرگ منفرد وقتی با لیزر کوپل شود، معمولاً به وضعیت پایدار یا دو‌حالته ختم می‌شود. اما افزودن سطح دوم معادلات را تغییر می‌دهد. تیم تحقیقاتی با استفاده از مدل‌سازی مبتنی بر میدان میانگین و در نظر گرفتن نیرو‌های واندروالسی بلندبرد بین اتم‌های رایبرگ، نشان دادند که با افزایش توان لیزر، سیستم از یک نقطه ثابت به چرخه محدود (Hopf bifurcation) گذر می‌کند؛ همان چیزی که در آزمایش نیز مشاهده شد.

این یافته، بار دیگر اهمیت تعاملات جمعی در ایجاد نظم زمانی را تأیید می‌کند؛ نظمی که ذره‌ای منفرد نمی‌تواند به‌تنهایی خلق کند.

ابزار‌ها و آزمون‌های آینده از آنجا که سلول بخار روبیدیوم در دمای اتاق عمل می‌کند، می‌توان آن را در تراشه‌های میکروفابریکه‌شده در کنار راهنمای موج یا مدار‌های مایکروویو جاسازی کرد. این امر مسیر را برای ساخت حسگر‌های فشرده‌ای که بتوانند ضرب‌آهنگ کریستال زمان را در زمان واقعی بخوانند، هموار می‌سازد.

پژوهش‌های اخیر نیز نشان داده‌اند که بخار‌های رایبرگ می‌توانند برای آشکارسازی میدان‌های فرکانس رادیویی با حساسیت بسیار بالا مورد استفاده قرار گیرند.

نوسانات پایدار و هم‌فاز می‌توانند به‌عنوان منابع سیگنال با نویز فازی کم برای کاربرد‌هایی نظیر طیف‌سنجی دقیق، بازیابی زمان در شبکه‌ها، یا حتی آشکارسازی امواج گرانشی مفید باشند.

از منظر نظری این سامانه بستر مناسبی برای ترسیم نقشه فازی سیستم‌هایی با حالات پایدار، دو‌حالته و کریستال زمان فراهم می‌آورد. بررسی تأثیر نویز یا تحریک تناوبی بر این مناطق می‌تواند به آزمون فرضیه‌هایی منجر شود که مدعی‌اند کریستال‌های زمان گسسته فقط در تحریک‌های پالسی ظاهر می‌شوند.

افزایش ابعاد سیستم به دو یا سه بعد نیز می‌تواند این پرسش را پاسخ دهد که آیا هندسه فضایی بر نظم زمانی تأثیرگذار است؛ موضوعی که تاکنون در آزمایش‌ها مورد توجه قرار نگرفته است.

فرصت‌های آینده و پرسش‌های باز

کریستال زمانی در سلول بخار روبیدیوم بستری زنده برای آموزش ترمودینامیک دور از تعادل فراهم کرده است. این سامانه نشان می‌دهد که چگونه می‌توان در شرایطی ناپایدار، با حفظ الگوی زمانی سختگیرانه، میان انرژی و آنتروپی تعادل برقرار کرد.

آموخته‌های حاصل از این پژوهش می‌توانند در مدل‌سازی رفتار‌های ریتمیک در واکنش‌های شیمیایی، ساعت‌های زیستی و حتی چرخه‌های اقتصادی مؤثر باشند.

مهندسان حوزه شبکه‌های کوانتومی نیز امیدوارند از فاز‌های کریستال زمان برای هم‌زمان‌سازی گره‌های دوردست از طریق فوتون‌های مشترک استفاده کنند و به این ترتیب هزینه انجام عملیات درهم‌تنیدگی را کاهش دهند.

با وجود همه این پیشرفت‌ها، این پرسش باقی‌ست که آیا می‌توان کریستال زمانی واقعی در سامانه‌ای کاملاً بسته و بدون اتلاف ایجاد کرد یا همواره نیاز به تعادلی میان محرک و تلفات وجود دارد. همچنین هنوز مشخص نیست که در یک کریستال زمان پیوسته ماکروسکوپی، انسجام کوانتومی (و نه صرفاً نوسانات جمعیت کلاسیکی) چگونه ظاهر می‌شود.

پژوهش‌های آینده با اتصال رسانه‌های رایبرگ به کاواک‌هایی با دقت بالا ممکن است به‌زودی به این سؤال پاسخ دهند. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر Nature Physics منتشر شده است.