البلورة القادرة على ثني الزمن

تحتوي ذرة ريدبيرج على إلكترون بعيد عن النواة. حقوق الصورة: جامعة فيينا للتكنولوجيا

نجح باحثون في خلق حالة غريبة للغاية من المادة، إذ يبلغ قطر ذراتها مائة مرة أكبر من قطرها الطبيعي.

لقد تم الآن بنجاح إنشاء بلورات زمنية، والتي اقترحها الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلكزيك في عام 2012، باستخدام ذرات ريدبرج وضوء الليزر في جامعة تسينغهوا في الصين، بدعم نظري من جامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا. هذه الحالة الجديدة من المادة لا تتكرر في الفضاء مثل البلورات التقليدية، بل في الوقت، حيث تظهر إيقاعات دورية عفوية دون حافز خارجي، وهي الظاهرة المعروفة باسم كسر التناظر العفوي.

البلورة عبارة عن ترتيب من الذرات يتكرر في الفضاء، على فترات منتظمة: في كل نقطة، تبدو البلورة متشابهة تمامًا. في عام 2012، أثار الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلكزيك السؤال التالي: هل يمكن أن تكون هناك أيضًا بلورة زمنية – جسم يكرر نفسه ليس في الفضاء ولكن في الوقت؟ وهل من الممكن أن ينشأ إيقاع دوري، حتى لو لم يتم فرض إيقاع محدد على النظام وأن التفاعل بين الجسيمات مستقل تمامًا عن الوقت؟

لسنوات، تسببت فكرة فرانك ويلكزيك في الكثير من الجدل. اعتبر البعض أن بلورات الزمن مستحيلة من حيث المبدأ، بينما حاول آخرون إيجاد ثغرات وتحقيق بلورات الزمن في ظل ظروف خاصة معينة. الآن، تم إنشاء نوع مذهل بشكل خاص من بلورات الزمن بنجاح في جامعة تسينغهوا في الصين، بدعم من جامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا. استخدم الفريق ضوء الليزر وأنواع خاصة جدًا من الذرات، وهي ذرات ريدبيرج، بقطر أكبر بعدة مئات من المرات من المعتاد. نُشرت النتائج الآن في مجلة فيزياء الطبيعة.

كسر التناظر التلقائي

إن دقات الساعة هي أيضًا مثال على حركة دورية زمنية. ومع ذلك، فهي لا تحدث من تلقاء نفسها: فلا بد أن يكون شخص ما قد لف الساعة وبدأ تشغيلها في وقت معين. ثم يحدد وقت البدء هذا توقيت الدقات. والأمر مختلف مع بلورة الوقت: فوفقًا لفكرة ويلكزيك، يجب أن تنشأ الدورية تلقائيًا، على الرغم من عدم وجود فرق مادي بين نقاط زمنية مختلفة.

يوضح البروفيسور توماس بول من معهد الفيزياء النظرية في جامعة فيينا للتكنولوجيا: “يتم تحديد تردد النقر مسبقًا من خلال الخصائص الفيزيائية للنظام، ولكن الأوقات التي تحدث فيها النقر تكون عشوائية تمامًا؛ وهذا ما يُعرف باسم كسر التناظر التلقائي”.

يؤدي النظام الثابت الذي يعتمد على إدخال مستمر للضوء إلى إشارات دورية تعتمد على الوقت. حقوق النشر: TU Wien

كان توماس بول مسؤولاً عن الجزء النظري من العمل البحثي الذي أدى الآن إلى اكتشاف بلورة زمنية في جامعة تسينغهوا في الصين: تم تسليط ضوء الليزر على حاوية زجاجية مملوءة بغاز ذرات الروبيديوم. وتم قياس قوة إشارة الضوء التي وصلت إلى الطرف الآخر من الحاوية.

يقول توماس بول: “إن هذه في الواقع تجربة ثابتة لا يتم فيها فرض أي إيقاع محدد على النظام. إن التفاعلات بين الضوء والذرات هي نفسها دائمًا، حيث يتمتع شعاع الليزر بكثافة ثابتة. ولكن من المدهش أن الكثافة التي تصل إلى الطرف الآخر من الخلية الزجاجية تبدأ في التذبذب في أنماط منتظمة للغاية”.

الذرات العملاقة

كان مفتاح التجربة هو تحضير الذرات بطريقة خاصة: تم تجهيز الإلكترونات في ذرة يمكن أن تدور الذرات حول النواة في مسارات مختلفة، اعتمادًا على مقدار الطاقة التي تمتلكها. إذا تمت إضافة الطاقة إلى الإلكترون الخارجي للذرة، فقد تصبح المسافة بينه وبين النواة الذرية كبيرة جدًا. في الحالات القصوى، يمكن أن تكون المسافة بينه وبين النواة أكبر بعدة مئات المرات من المعتاد. وبهذه الطريقة، يتم إنشاء ذرات ذات غلاف إلكتروني عملاق – ما يسمى بذرات ريدبرج.

“إذا تم تحضير الذرات في وعاءنا الزجاجي في مثل هذه الحالات ريدبرج وأصبح قطرها ضخمًا، فإن القوى بين هذه الذرات تصبح أيضًا كبيرة جدًا”، كما يوضح توماس بول. “وهذا بدوره يغير الطريقة التي تتفاعل بها مع الليزر. إذا اخترت ضوء الليزر بطريقة تجعله قادرًا على إثارة حالتين ريدبرج مختلفتين في كل ذرة في نفس الوقت، فسيتم إنشاء حلقة تغذية مرتدة تسبب تذبذبات تلقائية بين الحالتين الذريتين. وهذا بدوره يؤدي أيضًا إلى امتصاص الضوء المتذبذب”. من تلقاء نفسها، تتعثر الذرات العملاقة في إيقاع منتظم، ويتم ترجمة هذا الإيقاع إلى إيقاع شدة الضوء الذي يصل إلى نهاية الوعاء الزجاجي.

يقول توماس بول: “لقد ابتكرنا نظامًا جديدًا هنا يوفر منصة قوية لتعميق فهمنا لظاهرة البلورة الزمنية بطريقة تقترب كثيرًا من الفكرة الأصلية لفرانك ويلكزيك”. “يمكن استخدام التذبذبات الدقيقة والمستدامة ذاتيًا لأجهزة الاستشعار، على سبيل المثال. تم بالفعل استخدام الذرات العملاقة ذات حالات ريدبيرج بنجاح لمثل هذه التقنيات في سياقات أخرى”.

مرجع: “بلورة الزمن المبددة في غاز ريدبيرج المتفاعل بقوة” بقلم شياولنج وو، تشوكينج وانج، فان يانج، روتشين جاو، تشاو ليانج، منج خون تي، شيانجليانج لي، توماس بول ولي يو، 2 يوليو 2024، فيزياء الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9