البلورة الزمنية: اكتشاف طور مادة أبدي يتذبذب بلا طاقة ويتحدى قوانين الفيزياء الكلاسيكية

البلورة الزمنية: اكتشاف طور مادة أبدي يتذبذب بلا طاقة ويتحدى قوانين الفيزياء الكلاسيكية. البلورة الزمنية هي طور مادة جديد تم اقتراحه لأول مرة من قبل الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلتشيك في عام 2012. على عكس البلورات العادية التي لها بنية مكانية دورية، تظهر البلورة الزمنية حركة دورية في بعد الزمن دون الحاجة إلى مدخلات طاقة خارجية. نجح فريق Google Quantum AI وباحثون من جامعة برينستون في إنشاء والحفاظ على بلورة زمنية لبضع ثوانٍ، مما يتحدى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ويمهد الطريق لتطبيقات في الحوسبة الكمومية والساعات الذرية فائقة الدقة.. مقدمة: حدود جديدة في فيزياء المادة المكثفة في عالم الفيزياء، غالبًا ما يغير اكتشاف أطوار مادة جديدة فهمنا للكون بشكل جذري. من الموصلات الفائقة إلى تكاثف بوز-آينشتاين، يفتح كل اكتشاف أبعادًا جديدة في علم المواد. الآن، تم تحقيق طور مادة أغرب ومدهش في المختبر: البلورة الزمنية. على عكس البلورات العادية التي تتكون ذراتها بترتيب دوري في الأبعاد المكانية الثلاثة، تعرض البلورة الزمنية ترتيبًا دوريًا في بعد الزمن. هذا يعني أن هذا النظام يتذبذب تلقائيًا بتردد ثابت دون أي استهلاك للطاقة، مما يبدو وكأنه انتهاك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص على أن الإنتروبيا يجب أن تزداد أو تظل ثابتة في نظام مغلق. أصل مفهوم البلورة الزمنية تم تقديم مفهوم البلورة الزمنية لأول مرة من قبل فرانك ويلتشيك، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2004، في ورقة بحثية عام 2012. اقترح ويلتشيك أن تناظر الانتقال الزمني يمكن كسره تلقائيًا في الأنظمة الكمومية، تمامًا كما يتم كسر تناظر الانتقال المكاني في البلورات العادية. في البلورات العادية، تتخذ الذرات مواقع ثابتة في الفضاء، مما يكسر تناظر الانتقال المكاني المستمر. في البلورة الزمنية، يدخل النظام في حالة تتذبذب بشكل دوري في الزمن، مما يكسر تناظر الانتقال الزمني. قوبل هذا الاقتراح في البداية بالشك لأنه بدا وكأنه ينتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك، أظهرت الدراسات اللاحقة أن البلورات الزمنية يمكن أن توجد في أنظمة ليست في توازن حراري، بشرط أن يتم دفعها بشكل دوري بواسطة مجال خارجي. تجربة رائدة من Google Quantum AI في عام 2021، نجح فريق من الباحثين من Google Quantum AI بالتعاون مع جامعة برينستون وجامعة ستانفورد ومؤسسات أخرى في إنشاء بلورة زمنية باستخدام معالج الكم Sycamore. في تجربة نُشرت في مجلة Nature Communications ، استخدموا ترتيبًا من 20 كيوبت مرتبة في سلسلة أحادية البعد. باستخدام نبضات ليزر دقيقة، تفاعلت هذه الكيوبتات مع بعضها البعض وشكلت حالة تتذبذب بشكل دوري. المثير للدهشة أن هذه التذبذبات استمرت حتى بعد إيقاف النبضات الخارجية، مما يشير إلى أن النظام قد وصل إلى طور بلورة زمنية مستقرة. تم تكرار هذه التجربة من قبل فريق مستقل من جامعة هارفارد وجامعة ماريلاند، الذين استخدموا مصائد أيونية لإنشاء بلورات زمنية بدقة أعلى. الآلية الكمومية وراء البلورة الزمنية لفهم كيفية عمل البلورة الزمنية، نحتاج إلى التعمق في ميكانيكا الكم. في الأنظمة الكمومية، يمكن للجسيمات مثل الذرات أو الأيونات أن تكون في حالة تراكب، حيث توجد في حالات متعددة في وقت واحد. تستفيد البلورة الزمنية من ظاهرة تُعرف باسم 'التوطين متعدد الأجسام' many-body localization ، حيث تمنع التفاعلات بين الجسيمات النظام من الوصول إلى التوازن الحراري. عندما يتم دفع النظام بشكل دوري بواسطة مجال خارجي، يمكن أن يدخل في طور تصبح فيه التذبذبات الزمنية مستقرة ولا تتلاشى. هذا هو نظير كمومي للبلورات المكانية، ولكن في بعد الزمن. يعتمد استقرار البلورة الزمنية على عدم التوازن الحراري الذي يتم الحفاظ عليه بواسطة تفاعلات كمومية معقدة. الآثار المترتبة على القانون الثاني للديناميكا الحرارية أحد الجوانب الأكثر إثارة للجدل في البلورة الزمنية هو تحديها للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ينص هذا القانون على أن إنتروبيا النظام المغلق لن تنخفض، ويبدو أن الحركة الدورية دون مدخلات طاقة تنتهك هذا المبدأ. ومع ذلك، يوضح الباحثون أن البلورة الزمنية لا تنتهك القانون الديناميكي الحراري لأنها ليست نظامًا مغلقًا تمامًا. إنها تتطلب نبضات خارجية لبدء والحفاظ على الطور، على الرغم من أن التذبذبات نفسها لا تستهلك طاقة. بعبارة أخرى، البلورة الزمنية هي نظام مدفوع بشكل دوري يصل إلى حالة مستقرة غير متوازنة. هذا يثير أسئلة جديدة حول تعريف الإنتروبيا والزمن في الأنظمة الكمومية. إمكانات التطبيقات التكنولوجية على الرغم من كونها في مراحلها الأولى، إلا أن البلورة الزمنية لديها إمكانات تطبيقية كبيرة في التكنولوجيا الكمومية. أولاً، يمكن استخدامها كساعات ذرية دقيقة للغاية نظرًا لتردد تذبذباتها المستقرة وغير المتأثرة بالاضطرابات الخارجية. ثانيًا، يمكن أن تكون البلورة الزمنية أساسًا لذاكرة كمومية طويلة الأمد، حيث يمكن لحالتها المستقرة تخزين المعلومات الكمومية لفترات أطول. ثالثًا، يمكن أن تساعد في تطوير أجهزة استشعار كمومية فائقة الحساسية، قادرة على اكتشاف التغيرات الطفيفة في المجالات المغناطيسية أو الجاذبية. تشير أحدث الأبحاث من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، إلى أنه يمكن استخدام البلورة الزمنية لقياس الوقت بدقة تزيد 100 مرة عن الساعات الذرية الحالية. التحديات والتوجهات المستقبلية على الرغم من النجاحات الأولية، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها قبل أن يتم تطبيق البلورة الزمنية عمليًا. درجات الحرارة التشغيلية المنخفضة للغاية قريبة من الصفر المطلق والحاجة إلى أنظمة معزولة تمامًا عن البيئة هي عقبات رئيسية. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال حجم النظام محدودًا ببضع عشرات من الكيوبتات، وهو بعيد عن العدد المطلوب للتطبيقات الواقعية. يعمل الباحثون الآن على إنشاء بلورات زمنية في درجات حرارة أعلى وفي المواد الصلبة، كما اقترح فريق من معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة في دريسدن. إذا نجح ذلك، فسيفتح الباب لجيل جديد من الأجهزة الكمومية الأكثر استقرارًا وكفاءة. الخلاصة: خطوة نحو فهم جديد للزمن إن اكتشاف البلورة الزمنية ليس مجرد طور مادة آخر؛ إنه دليل على أن فهمنا للزمن والديناميكا الحرارية لا يزال غير مكتمل. من خلال تحدي الافتراضات الأساسية حول التناظر والإنتروبيا، تجبرنا البلورة الزمنية على إعادة التفكير في مفهوم الزمن في الفيزياء. كما قالت الأستاذة فيديكا خيماني من جامعة ستانفورد: 'البلورة الزمنية هي نافذة على عالم كمومي غير متوازن، حيث لا تنطبق القواعد العادية'. في العقد القادم، قد نشهد كيف تصبح هذه البلورة الزمنية الغريبة أساسًا لثورة تكنولوجية تضاهي اكتشاف الترانزستور أو الليزر. بالنسبة لماليزيا، يقدم هذا المجال فرصًا للباحثين المحليين للمساهمة في هذا المجال العلمي المتنامي بسرعة.