فیزیکدانان درون یک الماس که با لیزر تابانده شده، چیزی ساختهاند که معتقدند اولین نمونه واقعی از یک شبهبلور زمانی است؛ ساختاری که در آن الگوهای زمانی منظم هستند، اما تکرار نمیشوند. این تمایز ظریف، اما مهم میتواند به پیشرفت تحقیقات و فناوریهای کوانتومی کمک کند.
چانگ زو، فیزیکدانی از دانشگاه واشنگتن در آمریکا، میگوید: «این ساختارها میتوانند حافظه کوانتومی را برای مدتهای طولانی ذخیره کنند، چیزی شبیه به حافظه رم کوانتومی. ما هنوز فاصله زیادی با چنین فناوریای داریم، اما ساختن یک شبهبلور زمانی گام مهمی در این مسیر است.»
بلورهای زمانی، که در سال 1390 توسط فرانک ویلچک، فیزیکدان نظری آمریکایی، پیشبینی شدند و نخستین بار در سال 1394 مشاهده شدند، ویژگی خاصی به شبکه اتمی منظم بلورها اضافه میکنند.
بلورهای معمولی مانند الماس، کوارتز و نمک، از شبکههای سهبعدی اتمی تشکیل شدهاند که در آن چیدمان ذرات بهطور منظم تکرار میشود. اگر هر بخش از این شبکه را بردارید و روی بخش دیگری قرار دهید، کاملاً منطبق خواهند شد.
اما در بلورهای زمانی، ذرات در توالیهایی حرکت میکنند که تحت تأثیر نیروی خارجی خاصی قرار ندارند. آنها بین حالتهای انرژی مختلف نوسان میکنند و الگوی زمانی این نوسانها به شکلی تکرار میشود که میتوان آن را دقیقاً روی خودش منطبق کرد، همانطور که در ویدئوهای آزمایشی قابل مشاهده است.
در مقابل، شبهبلورها ساختارهایی هستند که در آنها ذرات الگویی منظم اما غیرتکراری تشکیل میدهند، شبیه به تایلینگ پنروز یا تایلینگ آمَن-بینکر. این الگوها ممکن است در نگاه اول تکراری به نظر برسند، اما در واقع هیچ بخش از آنها به طور کامل بر بخش دیگری منطبق نمیشود.
بلورهای زمانی پیشتر با مواد مختلفی بهطور تجربی مشاهده شدهاند. اما اکنون تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی گوانگهوی هه از دانشگاه واشنگتن و بینگتیان یه از دانشگاه هاروارد، اولین شبهبلور زمانی را ایجاد کردهاند. الگوهای زمانی ذرات نوسانی آنها ساختار مشخصی دارند، اما تکرار نمیشوند.
زو میگوید: «این یک فاز کاملاً جدید از ماده است.»
یکی از روشهای ایجاد بلور زمانی، حذف برخی از اتمهای کربن از شبکه بلوری الماس است که باعث ایجاد یک «مرکز نیتروژن-خلا» میشود؛ به این معنا که یک اتم نیتروژن در کنار یک فضای خالی قرار میگیرد. این دقیقاً روشی بود که محققان برای ایجاد و مطالعه ویژگیهای یک شبهبلور زمانی به کار بردند.
آنها با استفاده از لیزرهای نیتروژن، اتمهای کربن را از یک قطعه الماس به اندازه یک میلیمتر جدا کردند و فضای بیشتری برای حرکت الکترونها ایجاد کردند. سپس با پالسهای مایکروویو، این الکترونها را به حرکت درآوردند تا تحت تأثیر کوانتومی همسایگان خود، به نوعی «رقص کوانتومی» بپردازند.
تنظیم الگوی غیرتکراری پالسهای مایکروویو منجر به رفتار مشابه و مستقل در ذرات نوسانی شد، رفتاری که معیارهای یک بلور زمانی را برآورده کرد.
یه توضیح میدهد: «ما با استفاده از پالسهای مایکروویو، این ریتمها را در شبهبلورهای زمانی شروع کردیم. این امواج مایکروویو به ایجاد نظم در زمان کمک میکنند.»
محققان توانستند این پدیده را برای صدها چرخه مشاهده کنند، پیش از آنکه شبهبلور زمانی از هم بپاشد. این موضوع چندان تعجبآور نیست، زیرا بلورهای زمانی بهشدت حساس و در برابر عوامل خارجی آسیبپذیر هستند.
هه میگوید: «ما معتقدیم که اولین گروهی هستیم که یک شبهبلور زمانی واقعی ایجاد کردهاند.»
نتایج این تحقیق دیدگاههای جدیدی درباره دنیای کوانتومی و بلورهای زمانی ارائه میدهد. این دستاورد همچنین کاربردهای عملی بالقوهای دارد، از جمله در علم اندازهگیری یا مترولوژی. روزی ممکن است بلورهای زمانی به اندازهگیری زمان کمک کنند.
علاوه بر این، آنها میتوانند در حسگرهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی به کار روند. البته چنین کاربردهایی احتمالاً هنوز سالها فاصله دارند؛ اما هر سفری تنها با گامهایی در طول زمان آغاز میشود.
این پژوهش در مجله Physical Review X منتشر شده است.