اكتشف الفيزيائيون الخلود الكمي باستخدام بلورة الزمن الثورية

حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في مجال فيزياء الكم من خلال إنتاج بلورة زمنية ذات عمر أطول بملايين المرات مما تم تحقيقه سابقًا. يؤكد هذا الاكتشاف صحة التنبؤ النظري لبلورات الزمن الذي قدمه فرانك ويلتشيك الحائز على جائزة نوبل في عام 2012، مما يدل على السلوك الدوري في نظام دون تأثير خارجي دوري.

نجح الباحثون في إطالة عمر بلورات الزمن، مما يؤكد المفهوم النظري الذي اقترحه فرانك ويلتشيك. يمثل هذا خطوة مهمة إلى الأمام في فيزياء الكم.

نجح فريق من جامعة TU Dortmund مؤخرًا في إنتاج بلورة زمنية شديدة التحمل تعيش أطول بملايين المرات مما يمكن إظهاره في التجارب السابقة. ومن خلال القيام بذلك، فقد أكدوا ظاهرة مثيرة للاهتمام للغاية، والتي افترضها فرانك ويلتشيك الحائز على جائزة نوبل قبل حوالي عشر سنوات والتي وجدت طريقها بالفعل إلى أفلام الخيال العلمي. وقد تم الآن نشر النتائج في فيزياء الطبيعة.

إنجاز رائد في أبحاث كريستال الزمن

البلورات، أو بشكل أكثر دقة، البلورات الموجودة في الفضاء، هي ترتيبات دورية للذرات على مقاييس طولية كبيرة. يمنح هذا الترتيب البلورات مظهرها الرائع، مع جوانب ناعمة كما هو الحال في الأحجار الكريمة.

نظرًا لأن الفيزياء غالبًا ما تتعامل مع المكان والزمان على نفس المستوى، على سبيل المثال في النسبية الخاصة، فقد افترض فرانك ويلتشيك، عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) والحائز على جائزة نوبل في الفيزياء، في عام 2012 أنه بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للبلورات في الفضاء، يجب أيضًا أن تكون هناك بلورات في الزمن. وقال إنه لكي يكون الأمر كذلك، يجب أن تبدأ إحدى خصائصها الفيزيائية في التغير تلقائيًا بشكل دوري مع مرور الوقت، على الرغم من أن النظام لا يتعرض لتداخل دوري مماثل.

ما يشبه اللهب هو قياس بلورة الزمن الجديدة: كل نقطة تتوافق مع قيمة تجريبية، مما يؤدي إلى وجهات نظر مختلفة للديناميكيات الدورية لاستقطاب الدوران النووي لبلورة الزمن. مصدر الصورة: أليكس جريليش/جامعة TU دورتموند

فهم بلورات الوقت

كان احتمال وجود مثل هذه البلورات الزمنية موضوعًا لنقاش علمي مثير للجدل لعدة سنوات – ولكنه سرعان ما وصل إلى دور السينما: على سبيل المثال، لعبت بلورة الزمن دورًا مركزيًا في فيلم Marvel Studios Avengers: Endgame (2019). منذ عام 2017 فصاعدًا، نجح العلماء بالفعل في عدد قليل من المناسبات في إظهار بلورة زمنية محتملة.

يعمل الدكتور أليكس جريليش في مركز أبحاث المواد المكثفة في قسم الفيزياء بجامعة TU Dortmund. الائتمان: جامعة TU دورتموند

ومع ذلك، كانت هذه الأنظمة – على عكس فكرة ويلتشيك الأصلية – تتعرض لإثارة زمنية مع دورية محددة، ولكنها تتفاعل بعد ذلك مع فترة أخرى أطول مرتين. البلورة التي تتصرف بشكل دوري مع الزمن، على الرغم من أن الإثارة لا تعتمد على الزمن، أي ثابتة، لم تظهر إلا في عام 2022 في مكثف بوز-آينشتاين. ومع ذلك، عاشت البلورة لبضعة ميلي ثانية فقط.

قفزة في الزمن كريستال طول العمر

قام علماء الفيزياء في دورتموند بقيادة الدكتور أليكس جريليتش الآن بتصميم بلورة خاصة مصنوعة من زرنيخيد الإنديوم جاليوم، حيث تعمل السبينات النووية كخزان لبلورة الزمن. تتم إضاءة البلورة بشكل مستمر بحيث يتشكل استقطاب الدوران النووي من خلال التفاعل مع دوران الإلكترون. وهذا الاستقطاب المغزلي النووي هو بالضبط ما يولد تذبذبات تلقائيًا، أي ما يعادل بلورة الزمن.

حالة التجارب في الوقت الحالي هي أن عمر البلورة لا يقل عن 40 دقيقة، وهو أطول بعشرة ملايين مرة مما تم إثباته حتى الآن، ومن المحتمل أن تعيش لفترة أطول بكثير.

من الممكن تغيير فترة البلورة على نطاقات واسعة عن طريق تغيير الظروف التجريبية بشكل منهجي. ومع ذلك، من الممكن أيضًا الانتقال إلى المناطق التي “تذوب” فيها البلورة، أي تفقد دوريتها. هذه المناطق مثيرة للاهتمام أيضًا، حيث يظهر بعد ذلك السلوك الفوضوي، الذي يمكن الحفاظ عليه لفترات طويلة من الزمن. وهذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها العلماء من استخدام الأدوات النظرية لتحليل السلوك الفوضوي لمثل هذه الأنظمة.

المرجع: “بلورة زمنية مستمرة قوية في نظام الدوران الإلكتروني النووي” بقلم A. Greilich، NE Kopteva، AN Kamenskii، PS Sokolov، VL Korenev and M. Bayer، 24 يناير 2024، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-023-02351-6