محققان فیزیک به تازگی گامی مهم در مطالعه پدیدهای نوظهور به نام بلور زمان برداشتهاند. برای نخستینبار بلور زمانی ساخته شده که الگوهای نوسانی آن به شکل نوارهای رنگی و نئونی قابل رؤیت با چشم انسان و واضحتر زیر میکروسکوپ است. این دستاورد میتواند راه را برای کاربردهای فناورانه جدید هموار کند، از جمله ابزارهای ضدجعل، تولید اعداد تصادفی، بارکدهای دوبعدی نوری و دستگاههای اپتیکی پیشرفته.
پیشزمینه علمی: بلور در فضا و بلور در زمان
مواد بلوری معمولی مانند الماس، کوارتز یا نمک، ساختارهای سهبعدی متشکل از شبکههای اتمی تکرارشونده در فضا هستند؛ یعنی میتوان بخشهایی از این شبکه را بر هم منطبق کرد و تکرار الگو را مشاهده کرد. بهصورت مشابه، بلور زمان الگویی از ذرات است که علاوه بر تکرار در فضا، در زمان نیز تکرار میشوند. ذرات در چنین ساختاری با ریتمی نوسان میکنند که قابل همپوشانی در بعد زمانی است و این نوسان هماکنون بهعنوان شکستی از تقارن زمانی شناخته میشود، یعنی رفتار سیستم از ریتم یا نوسان محیط تبعیت نمیکند.
ایده بلور زمان نخستینبار در سال 2012 توسط فرانک ویلچک مطرح شد و در ابتدا برای برخی فیزیکدانان بحثبرانگیز بود، زیرا تصور میشد با قوانین ترمودینامیک تعارض داشته باشد. در سال 2016 گروهی از پژوهشگران نمونههایی را در آزمایش مشاهده کردند و از آن پس پژوهش روی این پدیده شتاب گرفت.
جزئیات آزمایش: ساخت بلور زمان قابل رویت
در پژوهشی جدید، هانکینگ ژائو و ایوان اسمالیوخ از دانشگاه کلرادو بولدر از کریستالهای مایع برای ایجاد بلور زمان استفاده کردند؛ موادی که در نمایشگرهای LCD نیز کاربرد دارند و از مولکولهای میلهای شکل تشکیل شدهاند که خصوصیات مایع و بلوری را همزمان دارند. پژوهشگران لایهای از این کریستال مایع را بین دو صفحه شیشهای قرار دادند که پوششی از رنگدانه فوتورسپانسیو (پاسخدهنده به نور) روی آنها قرار داشت.
با تابش نورهایی مشخص به نمونه، مولکولهای رنگدانه تغییر جهت دادند و نیرویی به کریستال مایع وارد شد. این فشار موجب پدید آمدن خمیدگیها و گرههایی در ساختار کریستال مایع شد که بهصورت زنجیرهای با یکدیگر برهمکنش داشتند. نتیجه این تعاملات مجموعهای از نوسانات متوالی بود که ساعتها ادامه یافت و حتی در برابر تغییرات نور و دما پایدار ماند. در عمل این الگوها بهصورت نوارهای رنگی موجدار در نمونه قابل مشاهده بودند.
به گفته پژوهشگران، مشاهده مستقیم این پدیدار زیر میکروسکوپ و در شرایط خاص حتی با چشم غیرمسلح امکانپذیر است. هرچند نتایج مطابق معیارهای سختگیرانه طبقهبندی بلور زمان است، محققان معتقدند هنوز جای مطالعات بیشتر برای بررسی ظهور بلور زمان در سامانهها و رژیمهای فیزیکی مختلف وجود دارد.
دستاوردها، کاربردها و افقهای فناوری
بلورهای زمانی قابل رؤیت میتوانند مبنای دستگاههای نوینی در حوزه اپتیک و مخابرات باشند. از کاربردهای بالقوه میتوان به موارد زیر اشاره کرد: سامانههای ضدجعل مبتنی بر الگوهای زمانی-نوری، مولدهای اعداد تصادفی کوانتومی برای رمزنگاری، ساخت بارکدهای دوبعدی نوری با مشخصههای زمانی و توسعه اجزای فوتونیکی فضا-زمانی. پژوهشگران میگویند پیشرفتهای بنیادی در فهم ماهیت بلورهای زمان میتواند زمینهساز بهرهبرداریهای فناورانه شود.
محدودیتها و مسیرهای تحقیقاتی بعدی
محافظت در برابر اختلالات محیطی، اندازهگیری کوانتومی دقیقتر و توسعه مواد جدید از چالشهای پیش روست. همچنین بررسی این که چگونه معیارهای تشخیص بلور زمان در انواع مختلف مواد تغییر میکند، یکی از حوزههای تحقیقاتی مهم است.
نتیجه گیری
ساخت نخستین بلور زمان قابل رؤیت، پنجرهای تازه به جهان رفتارهای زمانی پیچیده باز میکند. این موفقیت نه تنها درک ما از تقارن و نوسان در سامانههای فیزیکی را گسترش میدهد، بلکه مسیر روشنی برای توسعه کاربردهای فناوری نوری و کوانتومی ارائه میدهد. با مطالعه بیشتر در مواد و شرایط مختلف، ممکن است مجموعهای از معیارها و امکانات جدید برای بلورهای زمان شکل گیرد که راه را برای محصولات و ابزارهای نوآورانهای هموار کند.