يمكن استخدام بلورات الزمن لبناء ساعات كمومية دقيقة

تعتبر بلورات الزمن من غرائب ​​فيزياء الكم، لكن الحسابات الجديدة تظهر أن هذه المواد الغريبة يمكن أن تكون مفيدة لبناء ساعات دقيقة للغاية.

يتم تعريف جميع البلورات من خلال التكرار – البلورات التقليدية مصنوعة من ذرات مرتبة في أنماط متكررة، والبلورات الزمنية لها بنية متكررة في الوقت المناسب. إذا لاحظت بلورة زمنية لفترة كافية، فسوف تراها تدور عبر نفس مجموعة التكوينات مرارًا وتكرارًا. علاوة على ذلك، فإن هذه الدورة تنشأ بشكل عفوي، ليس لأن المادة مجبرة على الحفاظ عليها، ولكن لأن هذه هي المرحلة المفضلة لها، على غرار المرحلة المفضلة للماء عند درجة حرارة منخفضة وهي الجليد.

وقد أظهرت لودميلا فيوتي من مركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية في إيطاليا وزملاؤها الآن أن بعض بلورات الزمن يمكن أن تكون لبنة بناء جيدة لساعات كمومية دقيقة للغاية.

لقد قاموا بتحليل رياضي لنظام يتكون من ما يصل إلى 100 جسيم ميكانيكي كمي، لكل منها حالتان متميزتان تحددهما خاصية الدوران الكمي، على غرار الطريقة التي تحتوي بها عملة معدنية على الطاولة على حالتين متميزتين يحددهما الجانب الذي يواجهه لأعلى. يمكن لنظام الدوران المحدد الذي درسه الباحثون أن يصبح بلورة زمنية أو يتواجد في مرحلة أكثر تقليدية لا تتأرجح تلقائيًا في الوقت المناسب، ويمكن استخدامه كساعة في أي من المرحلتين. قام الفريق بحساب كيفية مقارنة أداء الساعة المصنوعة من الدورات – دقتها وإحكامها – في مرحلة البلورة الزمنية مع الساعة المصنوعة من الدورات في هذه المرحلة “العادية”.

يقول فيوتي: “في المرحلة العادية، إذا كنت ترغب في تحليل فترات زمنية أصغر، فسوف تفقد الدقة بشكل كبير. وفي المرحلة الزمنية البلورية، وبنفس الدقة، يمكنك الحصول على دقة أعلى بكثير”. على الرغم من أن الساعة المبنية على الدوران ستصبح عادة أقل دقة إذا أردت، على سبيل المثال، قياس الثواني بدلاً من الدقائق، فإن هذا لم يحدث إذا شكلت الدورات بلورة زمنية أولاً.

يقول مارك ميتشيسون، من جامعة كينغز كوليدج في لندن، إنه ليس من المستغرب أن تكون بلورة الزمن نقطة انطلاق واعدة لصنع ساعة، لكن التحليل الدقيق لهذه الميزة كان مفقودًا حتى الآن. لقد أثبت هو وزملاؤه سابقًا أن أي تسلسل عشوائي للأحداث تقريبًا يمكن تحويله إلى ساعة، لكن النظام الذي يحتوي على تذبذبات ذاتية الاستدامة يوفر بنية أكثر شبهاً بالساعة منذ البداية، كما يقول.

يقول كرزيستوف ساشا من جامعة جاجيلونيان في بولندا: “منذ حوالي 10 سنوات، عرفنا أن البلورات الزمنية يمكن أن توجد، لكن لا يزال من غير الواضح كيفية استغلالها”. “تمامًا كما يمكن استخدام البلورات العادية في صناعة المجوهرات وفي بناء معالجات الكمبيوتر، فإننا نود أن تساعد بلورات الزمن في تمكين التقنيات المفيدة أيضًا.”

ويقول إنه من غير المرجح أن تتفوق بلورات الوقت على أفضل الساعات الحالية في العالم، والتي يتم تصنيعها من ذرات شديدة البرودة، لكنها قد تظل بديلاً لقياس الوقت استنادًا إلى أنظمة الأقمار الصناعية مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والتي يمكن تعطيلها بواسطة جهات شريرة. يقول ميتشيسون إن الساعات المبنية من بلورات الزمن يمكن أن تصبح أيضًا أساسًا لأجهزة استشعار المجالات المغناطيسية، حيث إن الكميات الصغيرة من هذه المجالات من شأنها أن تزعج دقات الساعات.

ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير من العمل قبل أن نتمكن من استخدام البلورات الزمنية عمليًا، كما يقول فيوتي. على سبيل المثال، يجب مقارنة نظام الدوران الخاص بفريقها مع الأنظمة الأخرى التي تعمل كساعات دقيقة، واختباره في تجربة تدور فعليًا، كما تقول.