بیگ بنگ: وجود کریستال‌های زمان که یک حالت جذاب ماده است، چند سال پیش تأیید شد؛ اما فیزیکدانان در حال حاضر به یک پیشرفت بسیار بزرگ دست یافتند: محققان فعل و انفعال بین دو کریستال زمان را تحریک و مشاهده کردند.

به گزارش بیگ بنگ، در یک ابرسیال هلیوم-3، دو کریستال زمان شبه‌ذرات را بدون ایجاد اختلال در انسجام آنها تبادل کردند؛ دستاوردی که محققان می‌گویند امکاناتی را برای زمینه‌های نوظهور مانند پردازش اطلاعات کوانتومی فراهم می‌کند، جایی که انسجام از اهمیت حیاتی برخوردار است.

“سامولی اتتی”، فیزیکدان و نویسنده اصلی از دانشگاه لنکستر در انگلستان گفت: «کنترل فعل و انفعال دو کریستال زمان یک دستاورد بزرگ است. پیش از این، هیچکس دو کریستال زمان را در یک سیستم ِ یکسان مشاهده نکرده بود، چه برسد به اینکه آنها را در تعامل قرار دهد. فعل و انفعالات کنترل شده آیتم شماره یک در فهرست آرزوهای هر کسی که به دنبال استفاده از یک کریستال زمان برای برنامه‌های عملی مانند پردازش اطلاعات کوانتومی است، می‌باشد.»

کریستال‌های زمان بسیار جذاب هستند. آنها دقیقاً مانند کریستال‌های معمولی به نظر می‌رسند، اما خاصیت عجیب و غریب و خاصی دارند. در کریستال‌های مرتب، اتم‌ها در یک ساختار شبکه‌ی سه بُعدی ثابت مانند شبکه‌ی اتمی یک کریستال الماس یا کوارتز قرار گرفته‌اند. این شبکه‌های تکراری می‌توانند از لحاظ پیکره‌بندی متفاوت باشند، اما خیلی به اطراف حرکت نمی‌کنند: آنها فقط بصورت فضایی(مکانی) تکرار می شوند.

در کریستال‌های زمان، اتم‌ها کمی متفاوت رفتار می‌کنند. آنها نوسان می‌کنند، ابتدا در یک جهت می‌چرخند و بعد به جهت دیگر می‌روند. این نوسانات – که از آنها بعنوان «تیک تاک» یاد می‌شود – در یک فرکانس منظم و خاص قفل می‌شوند. بنابراین، در جایی که ساختار کریستال‌های منظم در فضا تکرار می‌شود، در واقع در کریستال‌های زمان در فضا و زمان تکرار می‌شود.

به طور نظری، کریستال‌های زمان در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن خود – که بعنوان حالت اساسی(حالت پایه) شناخته می‌شود – می‌چرخند و بنابراین در طولانی مدت پایدار و منسجم هستند. کنترل ارتباطات یکی از اقداماتی محسوب می‌شود که می‌تواند استفاده کاربردی از کریستال زمان را در پی داشته باشد که برای مثال می‌توان به پردازش اطلاعات کوانتومی اشاره کرد.

محققان از انگلستان و فنلاند یک تاریخ بازی برای کریستال زمان برپا کردند. ابتدا، آنها هلیوم-3 – یک ایزوتوپ پایدار هلیوم با دو پروتون اما فقط یک نوترون – را تا در یک ده هزارم درجه از صفر مطلق خنک کردند تا یک ابرسیال فاز B یعنی یک سیال با ویسکوزیته صفر و فشار کم ایجاد کنند.

در این محیط، دو کریستال زمان، بعنوان چگالش بوز-اینشتین از ذرات مگنون ظاهر شدند. مگنون‌ها ذرات واقعی نیستند، اما از یک برانگیختگی جمعی از چرخش الکترون‌ها تشکیل شده‌اند – مانند موجی که از طریق شبکه‌ای از چرخش‌ها پخش می‌شود. هنگامی که فیزیکدانان اجازه دادند تا دو کریستال یکدیگر را لمس کنند، آنها مگنون‌ها را تبادل کردند – که نوسانات را به فاز مخالف تغییر داد بدون آنکه انسجام را قربانی کند.

نتایج مطابق با پدیدۀ ابررسانایی موسوم به اثر جوزفسون بود که در آن جریان بین دو قطعه مادۀ ابررسانا که توسط یک عایق نازک معروف به اثر جوزفسون جدا شده‌اند جریان می‌یابد. این سازه‌ها یکی از چندین موردی هستند که برای ساخت کوبیت‌ها، واحدهای پایه‌ی اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی، مورد کاوش قرار گرفته‌اند.

این فقط یک فعل و انفعال بسیار ساده است، اما در تلاش برای ایجاد و کنترل موارد بسیار پیچیده‌تری است. محققان در مقالۀ خود نوشتند: «نتایج ما نشان می‌دهد كه کریستال‌های زمان از پویایی كلی مکانیك كوانتومی پیروی می‌كنند و مبنایی را برای بررسی بیشتر در مورد خصوصیات اساسی این فازها، گشودن مسیرهایی برای كاربردهای احتمالی در زمینه‌های در حال توسعه، مانند پردازش اطلاعات كوانتومی، ارائه می‌دهند.»

محققان افزودند: «سیستم‌های کوانتومی منسجم طولانی مدت با فعل و انفعالات قابل تنظیم مانند کریستال‌های زمان قوی که در اینجا مورد مطالعه قرار گرفته‌اند بستری را برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی جدید مبتنی بر پدیده‌های چرخش منسجم فراهم می‌کنند». این تحقیق در مجله‌ی Nature Material منتشر شده است.

ترجمه: سحر الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com