במחקר שהתפרסם בינואר 2017 [1], הראו חוקרים מארה"ב כי ניתן לייצר סוג חדש ומסעיר של גבישי חומר, המכונים "גבישי זמן". במאמר של היום נספר על גבישים אלו, וננסה להסביר מדוע גילוי זה כל כך מעניין.

מאת ד"ר יניב טננבאום קטן

אחת התכונות המשותפות לכמעט כל החומרים המוצקים שאנחנו מכירים היא מחזוריות במרחב [2]: לרוב, חומרים מוצקים עשויים מגבישים - אטומים המסודרים במבנים קבועים שחוזרים על עצמם במרחב. גבישים יכולים להיות למשל תבניות מחזוריות של קוביות (מלח שולחן) או משושים (כוורת). למשל, דף משובץ הוא דרך לדמיין סוג של גביש דו מימדי.

יצירת גבישים דורשת שבירת סימטריה הנקראת "סימטריה רציפה להזזות" [3]. כדי להבין מהי סימטריה זו נדמיין חדר ריק ובו כדור אחיד ומושלם מונח על רצפה אחידה ומושלמת. בהנחה שקירות החדר רחוקים מספיק כדי שנוכל להתעלם מהם, אין משמעות למיקום הכדור. נוכל לגלגל אותו על הרצפה כרצוננו, והכל יראה בדיוק אותו דבר.

נחליף כעת את הרצפה האחידה במשובצת. צופה יוכל לדעת אם הכדור זז לפי מיקומו ביחס למשבצות. לעומת זאת, אם נזיז את הכדור במשבצת שלמה בכיוון מקביל או ניצב לקווים היוצרים את המשבצות, דבר לא ישתנה לפני ואחרי התנועה, בדיוק כמו קודם. כשהוספנו את המשבצות, שברנו בעצם את הסימטריה הרציפה להזזות, והחלפנו אותה בסימטריה בדידה: הזזות במרחקים ובכיוונים קבועים בלבד.

גבישים שוברים סימטריה בדיוק באותו אופן: המבנה המחזורי של הגביש שובר את הסימטריה להזזות במרחב, בדיוק כמו המשבצות מהדוגמה. תהליך יצירת הגביש ושבירת הסימטריה לא דורש אנרגיה ואף פולט אנרגיה, כך שבתנאים המתאימים גבישים הם המצב עם האנרגיה הנמוכה ביותר מבין מצבי החומר. לכן, הסימטריה נשברת מעצמה - באופן ספונטני [4].

אז מהם בעצם "גבישי זמן"?

אחד הדברים שאיינשטיין לימד אותנו הוא שהזמן הוא מימד, בדיוק כמו שלושת מימדי המרחב שאנו מכירים. בשנת 2012, התבסס זוכה פרס נובל פרנק ווילצ'ק [5] על תוצאה זו והעלה שאלה מעניינת: האם ניתן ליצור בעולם שלנו גבישים שהם מחזוריים גם בזמן? כלומר, גבישים המשתנים באופן מחזורי, וחוזרים לצורתם המקורית כל פרק זמן קבוע?

התהליך התאורטי של יצירת גבישי זמן הוא ישיר למדי: יש לקחת אוסף אטומים ולקרר אותם עד שיגיעו למצב בעל האנרגיה המינימלית האפשרית. אם אין במערכת שום דבר התלוי בזמן, האטומים יצרו מבנה כלשהו (כנראה מחזורי) שיהיה קבוע ולא ישתנה בזמן [6]. לעומת זאת, אם מסיבה כלשהי תישבר הסימטריה להזזות בזמן (באופן מקביל לשבירת הסימטריה להזזות במרחב בעת היווצרות גביש "רגיל"), במקום להישאר קבועה תוכל המערכת להשתנות באופן מחזורי. למשל, לנוע כמו מטוטלת.

בעולם האמיתי הדברים הם תמיד מסובכים יותר. במערכות של אטומים בודדים, לרוב לא תהיה תלות מפורשת בזמן והסימטריה לא תשבר. לכן, האטומים ישארו קבועים במקומם ולא ישתנו בצורה מחזורית. כדי לשנות את המצב, יש להוציא את המערכת משיווי משקל [7]. למשל, ניתן להפריע למערכת כל פרק זמן קבוע.

בניסוי המדובר, סודרו בשורה ישרה אטומים של היסוד איטרביום [8] המבצעים ביניהם תגובה הדדית דרך דרגת חופש המכונה "ספין" [9] וקשורה למגנטיות של האטומים. באופן פשטני, ניתן לדמיין את הספינים כשדות מגנטיים קטנים שכל אטום יוצר, ומשפיע על האטומים הנמצאים לידו. בפרט, אם נהפוך את כיוון הספין של אטום איטרביום, יתהפך גם כיוון הספין של האטומים שלידו.

בניסוי שאנו דנים בו, שונה הספין של אחד האטומים בעזרת פולס לייזר חיצוני. בעקבות כך, התהפך כיוון הספין של האטום שלידו, אחר כך של האטום הבא בתור, וכך הלאה, בתגובת שרשרת לאורך רצועת האטומים. התהליך חזר על עצמו באופן מחזורי. במערכת "רגילה", נצפה שקצב התופעה יתאים לקצב הפולס. למשל, אם נהפוך את ספין האטום בכל שניה, תיווצר תגובת השרשרת בכל שניה. למרבה ההפתעה, התגלה כי התופעה מתרחשת בקצב איטי פי שניים מקצב הפולס! המשמעות היא שעל כל שני פולסים, נוצרה תגובת שרשרת אחת. במילותיו של אחד השותפים בניסוי, הדבר דומה לכך שנלחץ על קליד בפסנתר פעמיים, אך נשמע צליל פעם אחת בלבד. תוצאה זו איננה פשוטה, כפי שעלול הדבר להראות ברגע הראשון. משמעות התוצאה היא שהסימטריה להזזות בזמן בקצב של מחזור פולס לייזר, נשברה באופן ספונטני לסימטריה להזזות בקצב איטי פי שניים. אם נחזור לדוגמה עם המשבצות, הדבר דומה לכך שלמרות שהרצפה משובצת באופן מסויים, יש להזיז את הכדור בשתי משבצות, כדי שהמערכת תחזור לעצמה. יתרה מכך, כששינו מעט את קצב הלייזר, קצב התופעה לא השתנה, מה שמעיד כי קצב תנועת האטומים נקבע לפי התכונות הפיזיקליות שלהם, בדיוק כמו בסריג מרחבי, ולא על פי קצב הפולס.

תוצאה זו היא בדיוק "האקדח המעשן" לקיומם של גבישי זמן [10]: מערכות ששוברות מעצמן את הסימטריה להזזות בזמן, ובמקום להישאר קבועות, נעות באופן מחזורי. במקרה של הניסוי הזה, המערכת שוברת סימטריה בדידה, ומקיימת במקום סימטריה בדידה חלשה יותר. הניסוי הוכיח את היתכנותם של גבישי זמן, ופתח צוהר לחקר עמוק יותר של גבישים אקזוטיים אלו.

לינק מקור מעמוד הפייסבוק