اثبات برخی از پیش‌بینی‌ها در فیزیک نظری، مانند موج‌های گرانشی انیشتین و بوزون هیگز، دهه‌ها به طول انجامید. هر از چندگاهی یک پیش‌بینی می‌‌تواند در مدت زمانی بسیار کوتاه به امری مسلم تبدیل شود. چنین اتفاقی برای بلورهای زمانی افتاد: فرمی جدید و عجیب از ماده که مراحل نظریه‌پردازی، رد کردن، تصحیح و ساخت آن تنها ۵ سال از پیش‌بینی آن در ۲۰۱۲ زمان برد.
مقاله‌های مرتبط:
بلورهایی مانند الماس و کوارتز از اتم‌هایی ساخته شده‌اند که در الگویی تکرارشونده در فضا مرتب می‌شوند. در این بلورهای جدید، اتم‌ها الگویی تکرار شونده دارند؛ اما این الگوی تکرار شونده در زمان وجود دارد. بلورهای زمانی میتوانند به سبب این ویژگی عجیب خود در فناوری‌های انقلابی مانند محاسبات کوانتومی کاربرد پیدا کنند.
داستان بلورهای زمانی، از سال ۲۰۱۲ آغاز می‌‌شود. فرانک ویلچک، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل از داشنگاه ام‌آی‌تی، فیزیکدان نظری و ریاضیدان است. او با تبدیل ویژگی کلیدی بلورهای معمول، شکستن تقارن، سعی در ساخت ایده‌ی بلور زمانی داشت.
برای آن که با مفهوم شکستن تقارن آشنا شوید، به آب فکر کنید. در یک قطره‌ی آب، مولکول‌ها به راحتی حرکت می‌‌کنند و به راحتی با مایع به هر جای می‌‌روند. مایع در هر جهت، به یک شکل است؛ یعنی درجه‌ی تقارن بالایی دارد. اگر آب فریز شود تا یخ تشکیل شود، نیروهای جاذبه‌ی بین مولکول‌ها، آن‌ها را وادار می‌‌کنند تا در ساختاری بلوری که در آن مولکول‌ها در فواصلی منظم نسبت به یک دیگر قرار دارند، مرتب شوند. این مرتب شدن به این معناست که بلور به اندازه‌ی مایع متقارن نیست؛ بنابراین می‌‌گوییم که تقارن مایع، وقتی منجمد می‌‌شود، می‌‌شکند.
شکستن تقارن، یکی از مفاهیم عمیق در فیزیک است. این مفهوم فقط مختص شکل‌گیری بلورها نیست و در بسیاری از فرایندهای بنیادی دیگر هم دیده می‌‌شود. برای مثال، در مکانیزم معروف هیگز، که توضیح می‌‌دهد چگونه ذرات زیر اتمی، جرم را ایجاد می‌‌کنند، یک پروسه‌ی شکستن تقارن وجود دارد.
در سال ۲۰۱۲ ویلچک ایده‌ای وسوسه انگیز ارائه کرد. او فکر می‌‌کرد همانطور که یک بلور، تقارن را در فضا می‌‌شکند؛ آیا می‌‌توان بلوری ساخت که تقارنی معادل در زمان را بشکند؟ این نخستین بار بود که ایده‌ی بلورهای زمانی نظریه پردازی می‌شد.
چنین پدیده‌ای در زمان یک نظم ذاتی دارد که با الگوی منظم کریستال در فضا همسان است. الگوی یک بلور زمانی، می‌‌تواند تغییری رفت و برگشتی در یکی از خصوصیات فیزیکی آن باشد، نوعی ضربان که تا ابد ادامه دارد یا مانند یک ماشین حرکت دائمی است.
ماشین‌های حرکت دائمی، نوعی ماشین هستند که میتوانند تا بی نهایت بدون هیچ منبع انرژی‌ای کار کنند و در فیزیک پذیرفته نیستند. ویلچک این خاصیت عجیب نظریه‌ی بلورهای زمانی‌اش را تشخیص داد. در سال ۲۰۱۵، گروه دیگری از فیزیکدانان نظری، نشان دادند که وجود بلوری با حرکت دائمی قطعا ممکن نخواهد بود.
اما این پایان داستان نبود. در سال ۲۰۱۶، پژوهشی جدید نشان داد که بلورهای زمانی در صورتی میتوانند از لحاظ نظری وجود داشته باشند که یک نیروی قوی خارجی حاضر باشد. ایده‌ی آن‌ها این بود که نظم زمانی می‌‌تواند از دیدها پنهان باشد؛ در نتیجه، افزودن کمی انرژی می‌‌تواند آن را نشان دهد. همین امر بود که پارادوکس حرکت دائمی را حل کرد و امیدهای تازه‌ای را در مورد وجود بلورهای زمانی با خود به همراه داشت.
پس از آن، در تابستان ۲۰۱۶، شرایط ساخت و مشاهده‌ی بلورهای زمانی در مقاله ای در ژورنال Physical Review Letters بیان شد. پژوهشگران بررسی کردند که چگونه ویژگی خاصی از ذرات، یعنی اسپین کوانتومی، می‌‌تواند به صورت منظم و تکرار پذیر توسط نیرویی خارجی تغییر کند. آن‌ها پیش‌بینی کردند که اگر آن‌ها این نیرو را به ذرات اعمال کنند، برهم‌کنش‌های بین ذرات، نوسان‌های اسپینی خاص خود را تولید خواهد کرد و بلور زمانی را خواهند ساخت.
در مدت چند ماه، دو تیم تجربی متفاوت، تصمیم گرفتند تا بلورهای زمانی را در آزمایشگاه بسازند. یکی از این تیم‌ها، با شلیک پالس‌های لیزر به قطاری از اتم‌های ایتربیوم و با فواصل متفاوت پالس، نوسانی در خواص اتمی ایجاد کرد. این امر بدین معناست که اتم‌های ایتربیوم به عنوان بلور زمانی عمل می‌‌کردند.
تیم دیگر، بر سیستمی کاملا متفاوت که شامل بلور الماسی با ناخالصی بود، تمرکز داشت. آن‌ها با استفاده از امواج مایکروویو، ناخالصی‌ها را در فواصلی تعریف شده، برهم زدند و نوسانات بلورهای زمانی مشابه تیم نخست را مشاهده کردند. در نهایت، بلورهای زمانی ساخته شدند و صحت ایده‌های اصلی ویلچک ثابت شد.
آینده‌ی بلور
پیش بینی، تحقق و کشف بلورهای زمانی، فصلی جدید در مکانیک کوانتومی با سوال‌هایی در مورد ویژگی‌های این فرم جدید از ماده و احتمال وجود این این بلورها در طبیعت می‌‌گشاید.
ویژگی‌های شکننده‌ی تقارن بلورهای معمول به ساخت فراموادهای فونونیک و فتونیک انجامید: موادی با طراحی‌های انسانی که لرزش‌های آکوستیک و نور را به صورت گزینش پذیر کنترل می‌‌کنند و میتوانند برای بهبود عملکرد قسمت‌های مصنوعی بدن یا افزایش بهره‌وری لیزرها و فیبرهای نوری استفاده شوند. بنابراین، خواص شکننده‌ی تقارن زمان در بلورهای زمانی راه خود را به زمینه‌هایی جدید، مانند فرامواد کرونو برای محاسبات کوانتومی که از خواص ذاتی اتم‌ها برای ذخیره و پردازش داده استفاده می‌‌کنند، باز خواهد کرد.
داستان بلورهای زمانی با ایده‌ای زیبا از فیزیکدان نظری آغاز شد و اکنون نخستین فصل آن با شواهد تجربی قطعی و پس از ۵ سال به اوج خود رسیده است. در حالی که دانشمندان ایده‌های بزرگ خود را ثابت می‌‌کنند، به نظر می‌‌رسد که علم فیزیک نیز از هر زمان دیگری زنده‌تر است.