البلورات الزمنية في فيزياء الكم

كان يُعتقد منذ فترة طويلة أن بلورات الزمن مستحيلة؛ لأنها مصنوعة من ذرات في حركة لا تنتهي أبدًا، حيث يُظهر الاكتشاف أنه لا يمكن إنشاء بلورات الوقت فحسب بل يمكن تحويلها إلى أجهزة مفيدة، وتختلف البلورات الزمنية عن البلورات القياسية مثل المعادن أو الصخور، والتي تتكون من ذرات مرتبة في نمط متكرر بانتظام في الفضاء.

ما هي بلورة الزمن

في فيزياء المادة المكثفة فإن البلورة الزمنية هي نظام كمي من الجسيمات التي تكون فيها الجسيمات في حالة حركة متكررة، حيث لا يمكن للنظام أن يفقد الطاقة في البيئة ويستريح لأنه بالفعل في حالته الأرضية الكمية؛ لهذا السبب فإن حركة الجسيمات لا تمثل حقًا الطاقة الحركية مثل الحركة الأخرى إذ لديها حركة بدون طاقة، وتم اقتراح بلورات الوقت نظريًا لأول مرة من قبل العالم فرانك بأنها أساس الوقت وتناظرية للبلورات الشائعة.

بينما يتم ترتيب الذرات في البلورات بشكل دوري في الفضاء يتم ترتيب الذرات في بلورة زمنية بشكل دوري في كل من المكان والزمان، وأثبتت عدة مجموعات مختلفة أن المادة ذات تطور دوري مستقر في الأنظمة التي يتم دفعها بشكل دوري، من حيث الاستخدام العملي يمكن استخدام بلورات الوقت يومًا ما كذاكرة كمبيوتر كمومية.

إن وجود البلورات في الطبيعة هو مظهر من مظاهر كسر التناظر العفوي، والذي يحدث عندما تكون الحالة الأقل طاقة في النظام أقل تماثلًا من المعادلات التي تحكم النظام، وفي الحالة الأرضية البلورية يتم كسر التناظر الانتقالي المستمر في الفضاء واستبداله بالتناظر المنخفض المنفصل للبلورة الدورية، ونظرًا لأن قوانين الفيزياء متناظرة في ظل الترجمات المستمرة في الزمان والمكان، فقد نشأ السؤال في عام 2012 حول ما إذا كان من الممكن كسر التناظر مؤقتًا، وبالتالي إنشاء بلورة زمنية مقاومة للإنتروبيا.

إذا تم كسر تناظر ترجمة زمنية منفصلة، والذي يمكن تحقيقه في أنظمة مدفوعة بشكل دوري عندئذٍ يُشار إلى النظام على أنه بلورة زمنية منفصلة، لا تصل البلورة الزمنية المنفصلة أبدًا إلى التوازن الحراري؛ لأنها نوع أو طور من مادة غير متوازنة، حيث لا يمكن أن يحدث كسر التناظر الزمني إلا في الأنظمة غير المتوازنة، في الواقع لوحظت بلورات الوقت المنفصلة في مختبرات الفيزياء في وقت مبكر من عام 2016، ونُشر في عام 2017.

أمثلة على بلورة الوقت: وهي تُظهر عدم توازن تناظر الوقت المكسور هو حلقة دائرية باستمرار من الأيونات المشحونة في حالة أقل طاقة.

تناسق الوقت في البلورات الزمنية

تؤدي التناظرات في الطبيعة مباشرة إلى قوانين الحفظ، وهو الشيء الذي صاغته نظرية نويثر بدقة، حيث أن الفكرة الأساسية لتناظر ترجمة الوقت هي أن الترجمة في الوقت المناسب ليس لها تأثير على القوانين الفيزيائية؛ أي أن قوانين الطبيعة المطبقة اليوم كانت هي نفسها في الماضي، وستظل هي نفسها في المستقبل، وهذا التناظر يعني الحفاظ على الطاقة.

التناظر المكسور في البلورات العادية

توضح البلورات الشائعة ترتيبا متقطعًا في الترجمة إذ لها أشكال متكررة في الفضاء وليست ثابتة في ظل الترجمات أو التدوير التعسفي، حيث لم تتغير قوانين الفيزياء عن طريق الترجمات والتناوب التعسفي، ومع ذلك إذا تم تثبيت ذرات البلورة فإن ديناميكيات الإلكترون أو الجسيمات الأخرى في البلورة تعتمد على كيفية تحركها بالنسبة إلى البلورة، ويمكن أن يتغير زخم الجسيمات بالتفاعل مع ذرات البلورة على سبيل المثال في عمليات (Umklapp) ومع ذلك يتم حفظ الزخم في بلورة كاملة.

توضح بلورات الوقت تشابه مكسورًا كانفصال ترتيب الترجمة الفضائية المنفصل على سبيل المثال جزيئات السائل المتجمد على سطح البلورة، حيث من الممكن أن تتماشى مع جزيئات البلورة ولكن بنمط أقل تماثلًا من البلورة حيث إنها تكسر التناظر الأولي.

خصائص التناظر المكسور في البلورات العادية

• النظام لديه تناظر أقل من الترتيب الأساسي للبلورة.

• يعرض النظام ترتيبًا مكانيًا وزمانيًا بعيد المدى على عكس الترتيب المحلي والمتقطع في سائل بالقرب من سطح البلورة.

• يحدث نتيجة التفاعلات بين مكونات النظام التي تتماشى مع بعضها البعض.

التناظر المقطوع في البلورات الزمنية المنفصلة (DTC)

يبدو أن البلورات الزمنية تكسر تناسق الترجمة الزمنية ولها أنماط متكررة في الوقت حتى لو كانت قوانين النظام ثابتة بترجمة الوقت، حيث تُظهر البلورات الزمنية التي تم تحقيقها تجريبياً كسر تناظر ترجمة الوقت المنفصل وليس التماثل المستمر أي إنها أنظمة مدفوعة بشكل دوري تتأرجح عند جزء صغير من تردد القوة الدافعة ووفقًا لفيليب بول، فقط يُطلق عليها (DTC) لأن تواترها هي مضاعف عدد صحيح منفصل لفترة القيادة.

التناظر الأولي وهو التناظر المنفصل لترجمة الوقت () مع حيث يتم كسره تلقائيًا إلى التناظر المنخفض للترجمة الزمنية المنفصلة مع   حيث   حان الوقت  وT فترة القيادة و n عدد صحيح، ويمكن أن تُظهر العديد من الأنظمة سلوكيات كسر تناسق الترجمة التلقائية للوقت، ولكن قد لا تكون بلورات زمنية منفصلة أو فلوكيت.

ومثال على هذه الأنظمة هي خلايا الحمل الحراري والتفاعلات الكيميائية المتذبذبة والرفرفة الديناميكية الهوائي والاستجابة دون التوافقية لقوة دافعة دورية مثل عدم استقرار فاراداي وصدى دوران الرنين المغناطيسي النووي تحويل إلى أسفل وأنظمة ديناميكية غير خطية مضاعفة الفترة، وبالرغم من لك إن البلورات الزمنية المنفصلة مثالا قويا لكسر تناسق ترجمة الوقت المنفصل.

خصائص التناظر المقطوع في بلورات (DTC)

• إنه تناظر مكسور حيث يُظهر النظام اهتزازات بفترة أطول من القوة الدافعة.

• النظام في حالة توازن تشفير، حيث لا تولد هذه التذبذبات إنتروبيا ويمكن العثور على إطار يعتمد على الوقت، بحيث لا يمكن تمييز النظام عن التوازن عند قياسه، وهي ليست حالة خلايا الحمل الحراري، حيث أنها مادة كيميائية متذبذبة.

• يعرض النظام ترتيبًا بعيد المدى، حيث تكون التذبذبات في الطور متزامنة عبر مسافات طويلة ووقت عشوائي علاوة على ذلك، فإن التماثل المكسور في بلورات الوقت هو نتيجة تفاعلات العديد من الأجسام، فالترتيب هو نتيجة لعملية جماعية تمامًا كما هو الحال في البلورات المكانية، وليس هذا هو الحال بالنسبة لصدى الدوران بالرنين المغناطيسي النووي.

تتشكل البلورات العادية غير الزمنية من خلال كسر التناظر العفوي المرتبط بالتناظر المكاني، ويمكن أن تنتج مثل هذه العمليات مواد ذات خصائص مثيرة للاهتمام مثل الماس وبلورات الملح والمغناطيسية الحديدية والمعادن، بالقياس تنشأ بلورة زمنية من خلال الانهيار التلقائي لتناظر ترجمة الوقت، حيث يمكن تعريف بلورة الوقت بشكل غير رسمي على أنها هيكل تنظيم ذاتي زمني دوري في حين أن البلورة العادية دورية لها بنية متكررة في الفضاء، فإن البلورة الزمنية لها بنية متكررة في الوقت المناسب.