دانشمندان بلور زمانی را کشف کردند که مسیر جدیدی برای نظم‌بخشی به زمان نشان می‌دهد
بلور زمانی که هم به ریتم نظم و هم به ریتم هرج‌ومرج می‌تپد، روشی نوین برای نگه‌داری زمان در ماده آشکار کرده است.
آزمایش‌های جدید بلور زمان راندو را نشان دادند – بلوری زمان‌نگار که در زمان تکرار می‌شود اما هرگز به همان شکل دقیق تکرار نمی‌شود. نتیجه، هرج‌ومرج در مقیاس کوتاه‌مدت است، اما در مقیاس‌های زمانی طولانی‌تر، نظم به‌وجود می‌آید.
«در این پژوهش، ما وجود انواع جدیدی از نظم زمانی را که از رانش‌های غیر دوره‌ای ولی ساختارمند ناشی می‌شوند، نشان می‌دهیم»، می‌نویسد تیمی از فیزیک‌دانان به رهبری لئو جون ایل مون از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و پل شیندلر از مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک سامانه‌های پیچیده در آلمان.
«آزمایش‌های ما نشان می‌دهند که شکستن دوره‌پذیری رانش می‌تواند به اشکال جدید و عجیب‌گری از نظم جزئی زمانی منجر شود.»
مرتبط: این حالت عجیب جدید ماده به‌نظر می‌رسد دو بُعد زمانی را اشغال می‌کند
بلورهای زمانی، که ابتدا توسط فیزیک‌دان نظری آمریکایی فرانک ویلچک در سال ۲۰۱۲ پیش‌بینی شد و اولین بار در سال ۲۰۱۶ مشاهده شدند، پیچیدگی بیشتری به شبکه اتمی منظم که اجسام جامد را تشکیل می‌دهد، می‌افزایند.
مواد بلوری مانند الماس، کوارتز و نمک از شبکه‌های اتمی سه‌بعدی تشکیل می‌شوند که ترتیب اتم‌هایشان تکرار می‌شود. هر بخشی از این شبکه که بر روی بخش دیگری قرار گیرد، مطابقت می‌کند؛ اما تنها در صورتی که دقیقاً هم‌پوشانی شود.
بلور زمانی توصیف می‌کند که ذرات در توالی‌هایی حرکت می‌کنند که زمان‌بندی آن‌ها به هیچ فشار خارجی وابسته نیست و جریان پیش‌بینی‌شده را می‌شکنند. این ذرات در حالت‌های کم‌انرژیشان نوسان می‌کنند به طوری که الگوی زمانی تکرارپذیری دارند؛ این الگو می‌تواند مانند چیدمان فضایی اتم‌ها در یک بلور، به‌صورت کامل هم‌پوشانی شود.
یک شبه‌بلور زمانی به‌گونه‌ای است که نوسان‌های اتم‌ها ساختارمندند اما تکرار نمی‌شوند، مانند کاشی‌کاری پن‌رُس که الگوی بُعدی پیوسته‌ای دارد که هرگز دقیقاً تکرار نمی‌شود، اما همچنان از قواعدی پیروی می‌کند.
به گفته مون و همکارانش، بلور زمان راندو نسخه‌ای دیگر است که هم نظم و هم هرج‌ومرج را نشان می‌دهد، هم تکرار می‌شود و هم تکرار نمی‌شود، درست همانند فرم موسیقی‌ای به نام راندو.
«الگویی که شامل یک موضوع تکراری (در اینجا نظم استروبوسکوپیک) است که با یک موضوع متغیر متضاد (در اینجا هرج‌ومرج زمانی کوتاه‌مدت) در تعادل است، در موسیقی کلاسیک به نام راندو شناخته می‌شود»، پژوهشگران می‌نویسند.
«شاید یکی از مشهورترین مثال‌های راندو در موسیقی، راندو آلا ترکی مولف موتزارت (مارش ترکی) باشد؛ بنابراین، ما این نوع نظم زمانی را «نظم راندو» می‌نامیم»، پژوهشگران اضافه می‌کنند.
پژوهشگران بلور زمان خود را با بهره‌گیری از خلاهای اتمی، یا گمشده‌ها، در یک الماس ساختند. این گمشده‌ها مکان‌های شبکه‌ای هستند که انتظار می‌رود یک اتم در آنجا باشد، اما خالی هستند. این به‌عنوان مرکز نیتروژن‑گمشده شناخته می‌شود که در آن یک اتم نیتروژن در کنار یک فضای خالی قرار دارد.
با استفاده از لیزرها برای تحریک مراکز نیتروژن‑گمشده، پژوهشگران اسپین‌های هسته‌ای کربن‑۱۳ را در الماس هیپرقطب‌کردند. سپس یک مولد موج دلخواه برنامه‌پذیر، اسپین‌ها را از طریق توالی‌های دقیق زمانی پالس‌ها، از دوره‌ای تا تصادفی، هدایت کرد.
تیم با دقت صدها دورهٔ رانش، یا پالس لیزری، را زیر نظر داشت و دریافت که گاهی بلورهای زمان برای بیش از چهار ثانیه پیش از کاهش دامنه نوسان می‌کنند.
در آن چند ثانیه، پژوهشگران مشاهده کردند که اگرچه هرج‌ومرج در هر دوره رانش وجود دارد، اما وضعیت کلی بلور زمان در ابتدای هر دوره تکرار می‌شود. وقتی که فقط یک بار در هر دوره رانش مورد بررسی قرار می‌گیرد، سیستم نظم کاملی را نشان می‌دهد، درست همان‌گونه که یک نور استروبوسکوپی دقیق می‌تواند الگوی تکراری را در یک سری تصویر از چرخش یک چرخ نشان دهد.
سپس پژوهشگران آزمایش خود را به مرحلهٔ بعدی بردند. برای نشان دادن قابلیت کنترل، تیم حتی متنی – «مشاهدهٔ آزمایشی یک بلور زمان راندو. هرج‌ومرج زمانی در نظم فضازمانی» – را مستقیماً در زمان‌بندی پالس‌ها رمزگذاری کردند، با استفاده از استاندارد ASCII.
در حال حاضر کاربرد عملی برای این موضوع وجود ندارد؛ اما این می‌تواند برخی احتمال‌های آینده را نشان دهد.
«آزمایش‌های ما»، پژوهشگران می‌نویسند، «یک مسیر نویدبخش جدید برای بررسی نظم زمانی باز می‌کند، به‌طوری که همزیستی پایدار طولانی‌مدت نظم زمانی گسترده و هرج‌ومرج میکروحرکتی در مقیاس‌های کوتاه‌مدت را نشان می‌دهد».
این پژوهش در Nature Physics منتشر شده است.