پژوهشگران نوع جدیدی از «کریستال زمانی» را شناسایی کردهاند که همزمان ویژگیهای نظم و آشوب را نشان میدهد. این ساختار، بهجای تکرارِ دقیق در زمان، الگویی تکرارشونده اما هر بار کمی متفاوت را میسازد — چیزی شبیه یک فرم موسیقایی که تم تکراری و تغییرات متناوب را کنار هم میگذارد.
کریستالهای معمولی، مثل الماس یا کوارتز، آرایش اتمیای دارند که در فضا تکرار میشود؛ اگر بخشهایی از شبکه اتمی را روی هم بگذاریم، تطابق پیدا میکنند. حال اگر این تکرار به جای فضا، در بعد زمان اتفاق بیفتد و ذرات در یک الگوی زمانی مشخص نوسان کنند — حتی وقتی نیروی بیرونی با همان فرکانس اعمال نمیشود — با پدیدهای به نام کریستال زمانی روبهرو هستیم.
به نوشته نشریه نیچر، این ایده برای اولینبار توسط فرانک ویلچک در 2012 مطرح شد و نمونههایی از کریستالهای زمانی از حدود 2016 در آزمایشگاهها گزارش شدند. اما حالا تیمی به سرپرستی لیو جون ایل مون (دانشگاه کالیفرنیا، برکلی) و پل شیندلر (مکس پلانک، آلمان) نشان دادهاند که شکلهای پیچیدهترِ نظم زمانی هم ممکن است — از جمله چیزی که آنها «کریستال زمانی راندو» نامیدهاند.
محققان تشبیه جالبی زدهاند: در موسیقی، «روندو» (rondeau یا rondo) نقشی دارد که یک تم تکرارشونده را با بخشهای متغیرِ متناوب ترکیب میکند؛ مثالی مشهور، رِندوِ «روندو آلا تورکا» اثر موتسارت است. بههمین ترتیب، کریستال زمانی راندو یک تم یا ترتیبِ کلی در مقیاس بلندمدت حفظ میکند (سِروستروبوسکوپیک)، اما در هر چرخهٔ کوتاهمدت رفتارهای بیقانونی و متفاوتی ظاهر میشوند — بنابراین هم نظم وجود دارد و هم آشوبِ لحظهای.
چطور این کریستال زمانی ساخته شد؟
تیم پژوهشی از نقطهخالیهای اتمی (vacancies) در الماس استفاده کرد؛ محلهایی که قرار بود یک اتم باشد اما خالی است. این جایگاهها بهعنوان مراکز نقص نیتروژن-خالی (nitrogen-vacancy centers) شناخته میشوند. محققان با لیزر این مراکز را برانگیختند و سپس با روشهایی خاص، اسپین هستهای کربن-13 را فوققطبی (hyperpolarize) کردند تا بتوانند نوسانات کوانتومی آنها را بهدقت دنبال کنند.
پس از آن، یک مولد موج برنامهپذیر (arbitrary waveform generator) توالی پالسهایی با زمانبندیهای گوناگون — از دورهای تا تصادفی — روی اسپینها اعمال کرد. پژوهشگران صدها چرخهٔ درایو (پالس لیزری یا مغناطیسی) را پایش کردند و مشاهده نمودند گاهی کریستال زمانی بیش از چهار ثانیه نوسان را حفظ میکند قبل از آنکه فرو بپاشد.
رتبهبندی زمانی: آشوب کوتاهمدت، نظم بلندمدت
جالب اینجا بود که در هر چرخهٔ کوتاهِ درایو، بینظمیهایی وجود داشت؛ اما اگر وضعیت سیستم را تنها یک بار در ابتدای هر چرخه ببینیم — مثل یک نور استروبوسکوپی که یک لحظهٔ مشخص را ثبت میکند — الگو کاملاً تکرار میشد. این الگوی تکرارشونده در فریمهای منظم نشاندهندهٔ یک نوع نظم زمانی جزئی (partial temporal order) است که در نگاه کلی پابرجاست، در حالی که در سطح لحظهای آشوب دیده میشود.
برای نشاندادن کنترلپذیری سیستم، تیم پژوهشی حتی متن انگلیسی «Experimental observation of a time rondeau crystal. Temporal Disorder in Spatiotemporal Order» را بهصورت الگوی زمانی پالسها و با استاندارد ASCII کدگذاری کرد. فعلاً این کاربرد کاربردی بهنظر نمیرسد، اما نشان میدهد که چگونه میتوان زمانبندی پالسها را برای کدگذاری اطلاعات یا کنترل حالتهای کوانتومی دستکاری کرد — ایدهای که در آینده ممکن است به فناوریهای جدیدی منجر شود.
اهمیت علمی
کشف کریستال زمانی راندو مرزهای فهم ما از نظم در سامانههای خارج از تعادل را جابهجا میکند. این نتایج نشان میدهد که «مرتبسازی زمانی» میتواند اشکال متنوعی داشته باشد: از دورهای کامل تا شبهمکرر (quasicrystal) و اکنون ترکیبی که در آن نظم و بینظمی بهصورت همزمان حضور دارند. چنین پدیدههایی برای درک بهتر دینامیک کوانتومی، ذخیرهسازی اطلاعات کوانتومی مقاوم در برابر اختلال و نیز طراحی مدارهای کوانتومی جدید میتواند اهمیت داشته باشد.
نکات کلیدی شامل استفاده از مراکز NV در الماس، فوققطبیسازی اسپین هستهای کربن-13، و بهکارگیری مولد موج برنامهپذیر برای ایجاد توالیهایی بین دورهای و تصادفی است. پایش دقیق فاز و دامنه نوسانات و مشاهدهٔ رفتار استروبوسکوپی (ثبت هر چرخه) کمک کرد تا ماهیت «راندو»یی این نظم زمانی آشکار شود.
پرسشهایی که اکنون مطرحند شامل این است که آیا میتوان راندوهای زمانی را در مواد یا پلتفرمهای دیگر بازسازی کرد، آیا میتوان مدت زمان نوسان را طولانیتر کرد، و چه کاربردهای عملی (در اطلاعات کوانتومی یا حسگری) از این نوع نظم پدید میآیند. پژوهشهای بعدی احتمالاً به بررسی محدودیتها و کنترل بیشتر این ترتیبهای زمانی خواهند پرداخت.
این کشف نشان میدهد زمانِ مواد میتواند غنیتر از آن چیزی باشد که فکر میکردیم: نه صرفاً تکرار خالص و نه بینظمی کامل، بلکه ترکیبی پیچیده که به ما میآموزد چگونه نظم ممکن است از دل آشوب بیرون بیاید—اگر دقیقاً بدانیم کجا و چه زمانی نگاه کنیم.