5 دقیقه
کریستالهای زمانی قابل مشاهده: یک ماده کوانتومی جدید که می‌توانید ببینید
پژوهشگرانی از دانشگاه کلرادو بولدر نخستین نمایش یک کریستال زمانی را گزارش کرده‌اند که میتوان آن را مستقیماً با چشم انسان مشاهده کرد. به‌جای تکیه بر سامانههای پیچیدهٔ سرمایش، سیستم‌های خلأ شدید یا اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم کوانتومی، این مادهٔ جدید حرکتی تکرارشونده ایجاد میکند که در یک نمونهٔ لیکوئید کریستال بهصورت نوارهای موجدار با رنگهای نئونی به چشم می‌آید. تیم پژوهشی می‌گوید این پدیده برای ساعتها ادامه می‌یابد و در برابر تغییرات معمول نور و دما مقاومت نشان میدهد که راه‌های عملی برای کاربردهای اپتیکی و فوتونیکی را می‌گشاید.
«آن‌ها را میتوان مستقیماً زیر میکروسکوپ مشاهده کرد و حتی، تحت شرایط خاص، با چشم غیرمسلح»، فیزیک‌دان هانکینگ ژائو از دانشگاه کلرادو بولدر در بیانیه‌ای گفت. نویسندهٔ همکار ایوان اسمالیوخ افزود: «فقط نور می‌تابانید و این کل دنیای کریستالهای زمانی ظاهر می‌شود.» آزمایش آن‌ها از مواد رایجِ لیکوئید کریستال و رنگهای فوتوواکنشپذیر استفاده میکند، به‌جای پلتفرمهای عجیبِ دمای پایین، و این گامی مهم به‌سوی دستگاههای عملی مبتنی بر دینامیک‌های شکست تقارن زمانی محسوب می‌شود.
زمینهٔ علمی: کریستال زمانی چیست؟
کریستالهای سنتی—مثل نمک، کوارتز یا الماس—اتم‌ها را در یک شبکهٔ تکرارشونده در فضا مرتب کرده‌اند. یک کریستال زمانی این ایده را به بعد زمانی تعمیم میدهد: ساختار درونی آن در زمان تکرار می‌شود. به عبارت دیگر، اجزای سیستم با تناوبی نوسان میکنند که درونی و پایدار است و صرفاً توسط یک ساعت خارجی رانده نمی‌شود. این نوسان پایدار و مقاوم، تقارن انتقال زمانی را میشکند؛ مفهومی که با فیزیک بنیادی و ترمودینامیک مرتبط است.
کریستالهای زمانی که در سال 2012 توسط فرانک ویلچک پیش‌بینی و در سال 2016 در سامانههای کوانتومی ویژه مشاهده شدند، تاکنون عمدتاً در پلتفرمهای کنترل‌شدهٔ کوانتومی (یون‌های محبوس، مدارهای ابررسانا) مطالعه شده‌اند که ایزولاسیون و همدوسی در آن‌ها حیاتی است. کریستال زمانیِ گزارششده در لیکوئید کریستال نشان میدهد که نظم دورهای زمانی میتواند در مادهٔ چسبناکِ مَجْسَم و سامانههای نوری نیز پدید آید؛ امری که حوزه‌های جدیدی را برای مهندسی و مطالعهٔ رفتارهای کریستال فضا-زمان باز میکند.
نحوهٔ انجام آزمایش و یافته‌های کلیدی
ژائو و اسمالیوخ کریستال زمانی قابل مشاهده را با قرار دادن لایهٔ نازکی از لیکوئید کریستال بین صفحات شیشهای پوششدادهشده با یک رنگ فوتوواکنشپذیر ساختند. لیکوئید کریستال‌ها مجموعه‌ای از مولکولهای ارگانیک میله‌ای‌شکل هستند که مانند مایع جاری می‌شوند اما مانند کریستال دارای نظم جهتی‌اند—چیزی آشنا برای هر کسی که از صفحه‌نمایش LCD استفاده کرده باشد. پژوهشگران نمونه را با نوری کالیبره‌شده تاباندند که جهت مولکولهای رنگ را تغییر می‌داد (فرآیندی که با عنوان قطبش شناخته می‌شود). آن مولکولهای بازآرایی‌شده بر لایهٔ مجاور لیکوئید کریستال فشارهای مکانیکی یا الکترواپتیکی وارد می‌کردند.
این فشارها کینک‌ها و نقص‌های موضعی در میدان جهت‌دهندهٔ لیکوئید کریستال ایجاد کردند. آن نقصها بهصورت غیرخطی با هم تعامل داشتند و نوسانهای خودپایدار و الگوهای موجیِ در حال حرکت تولید کردند. نکتهٔ کلیدی این است که حرکت با دورهٔ زمانی و الگوی مکانی پایدار تکرار می‌شد و از نظر دیداری بهصورت نوارهای روشن و رنگی ظاهر می‌شد که در طول زمان موجدار می‌شدند. این الگو تحت شرایط محیطی متغیر برای ساعتها پایدار ماند—نشانه‌ای مهم از مقاومت برای کاربردهای بالقوه.
اگرچه این آزمایش معیارهای معاصر لازم برای تعریف کریستال زمانی را برآورده میکند (تناوب زمانی خودسازمان‌یافته و بلندمدت که صرفاً با همان فرکانس منبع خارجی رانده نمی‌شود)، نویسندگان خاطرنشان میکنند که بررسی رسانه‌ها و رژیم‌های جایگزین ممکن است معیارهای عملیاتی دیگری برای طبقه‌بندی کریستالهای زمانی و فضا-زمانی نشان دهد.
کاربردهای بالقوه
قابلیت دیداری این کریستال زمانی مسیرهای تکنولوژیک فوری را پیشنهاد میدهد: دستگاههای اپتیکی، تولیدکننده‌های کریستال فضا-زمان فوتونیکی، سختافزار مخابراتی، الگوهای ضدجعل و سامانههای نوآورانهٔ تولید اعداد تصادفی یا کدهای میله‌ای مبتنی بر امضاهای زمانی دینامیک و دشوار برای تکثیر. از آنجا که اثر نوری است و میتوان آن را در فیلمهای دوبعدی مهندسی کرد، ادغام در دستگاه‌ها—حسگرها، نمایشگرها یا برچسبهای امنیتی—بدون نیاز به کریوژنیک یا ایزولاسیون شدید ممکن جلوه میکند.
بینش کارشناسان
دکتر النا مارتینز، فیزیک‌دان مواد و مروّج علمی فرضی اما واقع‌گرایانه، چنین اظهار داشت: «این نمایش اهمیت دارد زیرا نظم کریستالی زمانی را از چیدمان‌های انتزاعی کوانتومی به ماده‌ای محسوس و قابل مشاهده منتقل میکند. استفاده از لیکوئید کریستال و رنگهای فوتوواکنشپذیر مانع ورود را برای ادغام در دستگاه‌ها پایین می‌آورد و به مهندسان اجازه میدهد تا اجزای اپتیکی فضا-زمانی را که از ساختارهای زمانی تناوبی بهره می‌برند، نمونه‌سازی کنند. چالش‌های بعدی کنترل فرکانس، طول عمر و اتصال به مدارهای الکترونیکی یا فوتونیکی برای کاربردهای عملی خواهد بود.»
نتیجه‌گیری
نمایش کریستال زمانی قابل مشاهده در یک فیلم لیکوئید کریستال توسط دانشگاه کلرادو بولدر یک نقطهٔ عطف در مطالعهٔ فازهای غیرتعادلی ماده به‌شمار می‌آید. با تولید نظم زمانی بلندمدت که مستقیماً به‌عنوان نوارهای رنگی موجدار قابل مشاهده است، این کار پلتفرمهای تجربی برای کریستالهای زمانی را گسترش میدهد و حوزه‌های کاربردی امیدوارکننده‌ای در فوتونیک، ضدجعل و مخابرات را برجسته میکند. در حالی که مطالعات بیشتری برای تعیین حدود پایداری و طراحی‌های آمادهٔ دستگاه لازم است، این کریستال زمانی اپتیکیِ قابل‌دسترس مفهوم زمانی که زمانی نظری بود را به واقعیت تکنولوژیک نزدیک‌تر میکند.
منبع: doi
.avif)
نظرات