اقتصاد دانش بنیان

فيزيکدانان دانشگاه هاروارد فرم جديدي از ماده را ابداع کرده‌اند که به نام کريستال زمان خوانده مي‌شود و مي‌تواند دريچه‌هايي به سوي رفتار عجيب سيستم‌هاي کوانتومي بگشايد. از ديدگاه متداول فيزيک، کريستال‌ها مانند نمک، شکر، الماس و... نوعي چيدمان دوره‌اي اتم‌ها در ساختاري شبکه‌‌مانند و سه‌بعدي دارند. از سوي ديگر کريستال زمان به اين مفهوم (چيدمان دوره‌اي اتم‌ها) بعد چهارمي اضافه مي‌کند؛ به اين معنا که در برخي شرايط ويژه، اتم‌ها در پاره‌اي از مواد مي‌توانند ساختاري از چيدمان دوره‌اي را در طول زمان نشان بدهند.

تيم محققان فيزيک دانشگاه هاروارد  با مديريت دکتر ميخاييل لوکين و يوجين دملر، استادان بخش فيزيک اين دانشگاه، نوعي سيستم کوانتومي با کمک قطعه‌اي بسيار کوچک از الماس تلفيق شده در شبکه‌اي از ميليون‌ها ناخالصي اتمي به نام مراکز خالي نيتروژني ابداع کرده‌اند. سپس به کمک ضربان‌هاي موج کوتاه سيستم را از تعادل خارج کردند و به اين ترتيب چرخش مراکز خالي نيتروژني در فواصل زماني بسيار دقيقي وارونه شده است. اين يکي از نشانه‌هاي منحصر به فرد کريستال زمان است. نتايج اين پژوهش در ماه مارس در مجله بسيار معتبر نيچر به چاپ رسيد. دکتر لوکين توضيح مي‌دهد: «خلق کريستال زمان به نوبه خود اهميتي ندارد. نکته کليدي اين ابداع، در واقع گشودن پنجره‌اي به رفتار چنين سيستم‌هاي خارج از تعادلي است. اکنون مي‌توانيم فيزيک سيستم‌هاي اين‌چنيني را درک کنيم و اين زمينه‌ مورد نظر براي بسياري از فناوري‌هاي کوانتومي است. به عنوان مثال يک کامپيوتر کوانتومي در واقع نوعي سيستم خارج از تعادل است. آنچه ما انجام داديم، تنها قدمي اوليه در مرز آغازين اين فناوري است.»

همزمان با تلاش‌ها براي شناخت چنين سيستم‌هاي خارج از تعادلي که مي‌تواند به ساخت رايانه‌هاي کوانتومي بيانجامد، کاربردهاي ديگري هم براي کريستال زمان يافت شده است. دکتر لوکين توضيح مي‌دهد: «يکي از زمينه‌هايي که ما فکر مي‌کنيم اين ابداع ممکن است مفيد باشد و در واقع انگيزه اساسي اين مطالعه بود، اندازه‌گيري‌هاي بسيار دقيق است. به عنوان مثال اگر قرار باشد سنسور ميدان مغناطيسي ساخته شود، اين کار را با چرخش مراکز خالي نيتروژني مي‌توان انجام داد. بنابراين روشن است که اين وضعيت خارج از تعادل ماده مي‌تواند مفيد واقع شود. اگرچه در ابتدا امکان ساخت چنين سيستمي به صورت کلي غيرمحتمل به حساب مي‌آمد.»

تعدادي از فيزيکدانان مشهور مانند پاتريک برونو، هاروکي واتانابه و ماساکي اوشيکاوا حتي امکان ساخت کريستال زمان در يک سيستم کوانتومي را از اساس رد کرده بودند.

بيشتر چيزهايي که در اطراف ما يافت مي‌شوند، در حالت تعادل قرار دارند. به اين مفهوم که اگر چيز سردي در کنار شيء گرمي قرار گيرد، دماي آن‌ها به تعادل مي‌رسد. اما همه سيستم‌ها اين‌گونه نيستند. يکي از اين اشيايي که بسياري هر روز از آن استفاده مي‌کنند و خارج از حالت تعادل در نظر گرفته مي‌شود، الماس است. فرم کريستالي کربن که تحت دما و فشار بالا شکل مي‌گيرد، ساختاري غيرعادي به حساب مي‌آيد، زيرا پس از فرم‌گيري حتي پس از حذف فشار و حرارت به همان حالت باقي مي‌ماند. چيزي که اصطلاحا Metastable خوانده مي‌شود. به‌تازگي روشن شده که سيستم‌هاي خارج از تعادل، به ويژه آن‌هايي که به صورت القايي با کمک پالس‌هاي دوره‌اي انرژي پديد مي‌آيند، مي‌توانند ويژگي‌هاي کريستال زمان را نشان بدهند.

يکي از اين خواص، پاسخ باثبات کريستال در طول زمان به انواع تداخل‌هاست. يک کريستال جامد حالتي سخت دارد، بنابراين اگر فواصل بين اتم‌ها به اندازه بسيار کوچکي تغيير يابد، کريستال از بين نمي‌رود. ايده کريستال زمان يعني داشتن چنين نظمي در يک بازه زماني. يکي از اجزاي بسيار پراهميت ديگر در اين ارتباط آن است که اگر سيستمي مداوم از تعادل خارج شود، شروع به گرم شدن مي‌کند، اما روشن شده که دسته‌اي از سيستم‌ها در برابر گرما مقاومت مي‌کنند.

اثر کريستال زمان به صورتي قوي با اين ايده مرتبط است که چنين سيستمي حالت برانگيخته دارد، اما انرژي جذب نمي‌کند. دکتر لوکين شرح مي‌دهد: «ما الماس مورد پژوهش را در معرض پالس‌هاي امواج کوتاه قرار داديم که سبب شد جهت‌ چرخش مراکز خالي نيتروژني تغيير يابد. به عنوان مثال آن دسته از چرخش‌ها که به سمت بالا صورت مي‌گرفت، تغيير يافت و جهت آن رو به پايين شد و در پالس بعدي دوباره حالت آن عوض شد.» براي بررسي قدرت سيستم، تيم پژوهشي زمان‌بندي پالس‌ها را تغيير دادند تا ببينند آيا مواد مشابه يک کريستال زمان پاسخ خواهند داد؟ نتيجه اين بود که اگر جهت تمام اين چرخش‌ها به صورت کامل در هر زمان بالا يا پايين نشوند، با يک سيستم کاملا تصادفي روبه‌رو خواهيم بود. اما برهم‌کنش بين مراکز خالي نيتروژني پاسخ را ثبات مي‌بخشد و سبب مي‌شود تا سيستم مانند کريستال زمان به صورت دوره‌اي پاسخ دهد. چنين سيستمي براي طراحي و ساخت کامپيوترها و سنسورهاي کوانتومي مفيد واقع مي‌شوند، زيرا آن‌ها دو جزء بسيار مهم دارند؛ حافظه کوانتومي بلند مدت و چگالي بالاي بيت‌هاي کوانتومي که براي بسياري از کاربردها به هر دوي اين موارد احتياج است.

دکتر لوکين مي‌گويد: «اين دو ويژگي اغلب متضاد يکديگرند و اين مسئله بسيار مشهوري است. اين پژوهش نشان داد که مي‌توان به تلفيق مورد نظر رسيد. هنوز کار زيادي بايد صورت گيرد، اما ما فکر مي‌کنيم به اين صورت نسلي جديد از سنسورهاي کوانتومي را مي‌توان ساخت و در نگاه دور‌دست‌تر ساعت‌هاي اتمي و ساير کاربردها هم براي اين مطالعه در افق ديده مي‌شود.»

منبع: مجله دانش بنیان