6 دقیقه
بلور زمانی که می‌توانید ببینید
فیزیک‌دانان دانشگاه کلرادو بولدر یک نمایش معیار را اعلام کرده‌اند: بلور زمانی‌ای که می‌توان آن را مستقیماً با میکروسکوپ نوری مشاهده کرد و تحت شرایط کنترل‌شده حتی با چشم غیرمسلح دیده میشود. این الگو به‌صورت نوارهای موجی رنگین‌نور و نئونی ظاهر میشود و نخستین نمونهٔ الگوی بلورزمانی ماکروسکوپی ساخته‌شده از مادهٔ نرم شناخته‌شده، یعنی کریستالهای مایع، را نشان میدهد. گروه می‌گوید این بلور زمانی قابل‌مشاهده میتواند به پیشرفت‌های عملی در دستگاه‌های فوتونیک، برچسبهای ضدتقلب امن، بارکدهای نوری دوبعدی و تولید اعداد تصادفی برای رمزنگاری منجر شود.
پیش‌زمینهٔ علمی: بلور زمانی چیست؟
بلورهای زمانی ایدهٔ بلورهای عادی را به حوزهٔ زمانی گسترش می‌دهند. بلورهای متعارف — مانند الماس، نمک یا کوارتز — شبکه‌های اتمی دارند که در فضا تکرار می‌شوند. یک بلور زمانی الگویی را نشان میدهد که در زمان تکرار میشود: ساختار داخلی آن با دورهای پایدار نوسان میکند که با ریتم محرک محیطش همخوانی ندارد. این نوسان پایدار و خارج از تعادل را شکست تقارن انتقال زمانی می‌نامند.
این مفهوم در سال 2012 به‌صورت نظری توسط فرانک ویلچک پیشنهاد شد و بحث‌هایی دربارهٔ سازگاری آن با قوانین ترمودینامیک برانگیخت. تحقق‌های تجربی از اواسط دههٔ 2010 شروع به ظهور کردند و پژوهشگران از آن زمان پیاده‌سازی‌های متنوعی در سیستمهای کوانتومی و مواد رانده‌شده بررسی کرده‌اند. تیم بولدر اکنون این خانواده را گسترش داده و بلور زمانی‌ای را با استفاده از مادهٔ نرم در دمای اتاق و در گسترهٔ نور مرئی قابل مشاهده ساخته‌اند که دامنهٔ آزمایش‌ها و کاربردهای ممکن را افزایش میدهد.
جزئیات آزمایش: کریستالهای مایع، نور و نوارهای موجی
نحوهٔ ظاهر شدن بلور زمانی زیر میکروسکوپ. (ژائو و اسمالیوخ، Nat. Mater., 2025)
بلور زمانی جدید از کریستالهای مایع نماتیک استفاده میکند — مولکول‌های آلی میله‌ای‌شکل که سیالیت را با نظم دوربرد جهت‌یابی ترکیب می‌کنند، همان خانوادهٔ موادی که در صفحه‌های نمایش LCD به‌کار می‌روند. پژوهشگران یک لایهٔ نازک از کریستال مایع را بین دو صفحهٔ شیشهای که با یک رنگ‌دبرواکنش‌پذیر پوشش یافته بودند محصور کردند. وقتی نمونه با میدان نوری الگوگیر و زمانمتغیر روشن شد، مولکول‌های رنگدبر به نور واکنش نشان دادند و جهت‌گیری‌شان تغییر کرد و نیروی مکانیکی و جهت‌بخشی بر مولکول‌های اطراف کریستال مایع وارد کردند.
آن نیروها گره‌ها و نقص‌های موضعی ایجاد کردند که به‌صورت غیرخطی در سراسر فیلم با هم تعامل داشتند. این تعاملات الگویی زمانی تکرارشونده تولید کرد: میدان جهت‌نما (میانگین جهت مولکولها) در توالی‌ای تکامل یافت که با دورهای پایدار به خودش بازمی‌گشت. نکتهٔ حیاتی این است که این نوسان ساعتها پایدار ماند و در برابر نوسانات جزئی نور محیط و دما مقاوم بود که ویژگی‌های لازم برای طبقه‌بندی این حالت به‌عنوان یک بلور زمانی را نشان میدهد.
زیر میکروسکوپ نوری قطبی‌شده، نمونه نشان‌دهندهٔ باندهای رنگی موج‌دار است که در لایه جابه‌جا می‌شوند — همان نوارهای نئونی که ناظران می‌توانند به‌صورت زمان‌واقعی دنبال کنند. چون ساختار ویژگی‌های نوری را مدولاسیون میکند، مستقیماً قابل‌مشاهده است و می‌توان آن را در دستگاه‌هایی طراحی کرد که اطلاعات را در الگوهای نوری زمانمتغیر رمزگذاری کنند.
کشف‌های کلیدی و پیامدها
این نمایش در بولدر هم‌زمان چند پیشرفت را تثبیت میکند: یک بلور زمانی قابل مشاهده در دمای اتاق؛ سکویی ساخته‌شده از مواد نرم و ارزان؛ و روشی تکرارشونده برای تولید نظم زمانی طولانی‌عمر که با نور رانده میشود. این ویژگی‌ها سیستم را برای کاربردهای فوتونیک و نیز مطالعات بنیادی دربارهٔ فازهای خارج از تعادل ماده جذاب میکند.
کاربردهای احتمالی در کوتاه‌مدت شامل برچسبهای ضدتقلب که امضاهای نوری وابسته به زمان را نشان می‌دهند، تولیدکنندههای اعداد تصادفی نوری که از دینامیک پیچیدهٔ قابل‌پیش‌بینی-اما‌غیرقابل‌پیش‌بینی بهره میبرند، و بارکدهای نوری دوبعدی که اطلاعات را در الگوهای زمانی به‌جای تصاویر ایستا کدگذاری می‌کنند، هستند. نویسندگان همچنین پیشنهاد می‌کنند این رویکرد میتواند الهام‌بخش تولیدکنندههای بلور فضازمان فوتونیک برای مخابرات باشد، جایی که مدولاسیون زمانی کنترل‌شدهٔ اندیس شکست یک منبع ارزشمند است.
این کار در Nature Materials مستندسازی شده و راه‌های متعددی برای پیگیری باقی می‌گذارد: بررسی رنگدبرها و شیمی‌های مختلف کریستال مایع، تنظیم دورههای نوسان، یکپارچهسازی با آدرس‌دهی میکروالکترونیکی، و بررسی مرزهای کوانتومی در برابر کلاسیک رفتار بلورزمانی.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مارتینز، فیزیک‌دان مادهٔ چگال و مفسر علمی، می‌گوید: «این آزمایش اهمیت دارد چون یک مفهوم انتزاعیِ شکست تقارن را به چیزی تبدیل میکند که می‌توان زیر میکروسکوپ تماشا کرد. استفاده از کریستالهای مایع یعنی این اثر در دسترس و قابل تنظیم است — پلی امیدوارکننده بین فیزیک بنیادی و تکنولوژی‌های نوری دنیای واقعی.»
ارزیابی او ارزش دوگانهٔ این نتیجه را برجسته میکند: هم مکانیزم‌های بنیادیِ شکست تقارن زمانی را روشن می‌سازد و هم سکوی مواد عملی برای مهندسان و طراحان دستگاه‌ها فراهم می‌آورد.
نتیجه‌گیری
اولین بلور زمانی قابل مشاهدهٔ بصری تولیدشده از کریستالهای مایع گامی مهم در فیزیک بنیادی و کاربردی محسوب میشود. با قابل‌رؤیت و پایدار کردن نظم زمانی در دمای اتاق، تیم دانشگاه کلرادو بولدر مسیرهای تجربی جدیدی برای مطالعهٔ فازهای خارج از تعادل گشوده و فن‌آوری‌های بالقوه‌ای در فوتونیک، ضدتقلب و ارتباطات امن کاشته است. کارهای پیوسته نقش خواص بلورزمانی را با ترکیب ماده و پروتکل‌های رانندگی نقشه‌برداری خواهند کرد — و چگونگی بهره‌برداری از این خواص در دستگاه‌ها را مشخص خواهند ساخت.
منبع پژوهش: ژائو و اسمالیوخ، Nature Materials (2025).
منبع: sciencealert
.avif)
نظرات