כמו שגבישים רגילים שומרים על מבנה מחזורי במרחב, הפיזיקאים זיהו מבנים ששומרים על מחזוריות דומה בממד הזמן
גבישי זמן הם חומרים שמתאפיינים בסדר מחזורי בזמן ובמרחב גם יחד, בניגוד לגבישים רגילים שהסדר שלהם נשמר במרחב בלבד. לחומרים האלה יש מאפיינים לא שגרתיים שעשויים לפתוח פתח לשימושים טכנולוגיים מפתיעים בעתיד הלא רחוק, בין השאר במחשבים קוונטיים.
אף על פי שרעיון גבישי הזמן נשמע דמיוני, מדובר במערכת פיזיקלית שכבר מומשה בשנים האחרונות במעבדות ברחבי העולם. הסדר המחזורי בזמן של החומרים הללו מאפשר להם לבצע תנועה מחזורית גם בלי כוח שיניע אותם.
ריצוף וסימטריה
גביש הוא חומר מוצק המסודר בצורה בעלת סדר ארוך טווח. דמיינו למשל שטח גדול מרוצף באריחים ריבועיים, כמו לוח דמקה עצום. אם נעמוד במרכז אריח אחד ונפסע צעד בגודל הנכון ימינה, שמאלה, קדימה או אחורה, נעמוד בדיוק במרכזו של אריח אחר. כל עוד נמשיך ללכת בצעדים כאלה, נמצא את עצמנו תמיד במרכזו של אריח כלשהו. לעומת זאת, אם נפסע צעד גדול מדי, קטן מדי או בכיוון אחר, נזדקק להרבה צעדים לפני שנמצא את עצמנו שוב במרכזו של אריח כלשהו. כמעט כל חומר מוצק שאנו מכירים מחיי היומיום הוא גביש, או לפחות גביש בקירוב, ומציג סדר מהסוג הזה: הוא מורכב מצורה מסוימת שחוזרת באופן מחזורי במרחב.
פיזיקאים מתארים לעיתים רבות חומרים ומערכות פיזיקליות במונחים של סימטריה: איך אני יכול לשנות את נקודת המבט שלי על הבעיה בלי ששום דבר ישתנה? סימטריות משחקות תפקיד חשוב מאוד במדע, ועוזרות לנו לפשט בעיות פיזיקליות מורכבות.
דמיינו שאתם עומדים באמצע שדה גדול וריק. בשדה הזה יש לנו סימטריה מרחבית מלאה: כל הכיוונים נראים אותו דבר ואין אחד שעדיף על השני. כל צעד בכל גודל שהוא יביא אותנו לנקודה שתיראה זהה לזאת שממנה יצאנו, עם שדה ריק ואחיד בכל כיוון. לעומת זאת, במשטח האריחים שתיארנו קודם, יש כיוונים עדיפים, שבהם הגביש חוזר על עצמו, וכיוונים פחות מוצלחים. לכן נגיד שהגביש שובר את הסימטריה המרחבית הרציפה ויש לו סימטריה קטנה יותר ובדידה. היא נשמרת רק בשני כיוונים – מאוזן ומאונך – במקום שתישמר בכל הכיוונים, ורק בצעדים באורך של אריח בודד, או כפולות שלו, במקום צעדים בכל גודל אפשרי.
גבישי זמן הם גבישים שהסדר המחזורי שלהם נשמר בזמן, ולא רק במרחב כמו גבישים רגילים. וכמו שגבישים שוברים את הסימטריה המרחבית, גבישי זמן שוברים את הסימטריה בזמן: כפי שלגביש רגיל יש "כיוונים מועדפים", לגביש זמן יש "זמנים מועדפים", שבהם המערכת נראית זהה.
לכאורה נדמה שיש הרבה מערכות פיזיקליות עם תנועה מחזורית: כל נדנדה פשוטה, למשל, חוזרת לאותו מקום אחרי זמן מחזור קבוע. ההבדל הוא שבעוד שכדי להתחיל את תנועת הנדנדה עלינו להפעיל כוח – ובפועל נצטרך להמשיך לדחוף אותה כדי שתמשיך להתנדנד למרות החיכוך שמאט אותה – גבישי הזמן משנים את המצב שלהם באופן מחזורי בלי שמועברת אליהם אנרגיה. הגביש שואף להגיע לנקודה שהאנרגיה בה היא מינימלית, אך שבירת הסימטריה בזמן גורמת לכך שהנקודה הזאת זזה. כך נוצר מצב שבו הגביש משנה את מצבו באופן מחזורי, אבל האנרגיה שלו נשארת ללא שינוי. ואחד הדברים המשונים הוא שכאשר הכוחות הפיזיקליים הפועלים על הגביש משתנים במחזוריות מסוימת, גביש הזמן משתנה במחזוריות אחרת, ארוכה יותר.
לגבישי זמן סדר מחזורי בזמן וברוב המימושים יש גם סדר במרחב, בעוד שלגבישים רגילים יש סדר שנשמר במרחב בלבד. מודל של גביש נתרן כלורי | magnetix, Shutterstock
מרעיון למעשה
התכונות האלה הופכות את גבישי הזמן לחומרים אקזוטיים שאיננו פוגשים באופן יומיומי, ושדרוש מאמץ מיוחד ליצור אותם אפילו במעבדה. הרעיון הועלה לראשונה בשנת 2012 בידי הפיזיקאי חתן פרס נובל פרנק וילצ'ק (Wilczek). כעבור ארבע שנים בלבד, ב-2016, הוא כבר מומש בכמה מעבדות במקביל בתוך מערכות קוונטיות: הפיזיקאים לכדו יחד כמה חלקיקים, והראו שהם משנים את המצב הקוונטי שלהם בצורה מחזורית. המדענים אומנם היו צריכים להשקיע אנרגיה כדי להתחיל את התנודה, אך היא המשיכה גם אחרי ששינו את האנרגיה הנכנסת למערכת או עצרו אותה לגמרי, דבר ששיכנע את החוקרים שאכן מדובר בגביש זמן ולא בתנודה מחזורית רגילה.
אם נחזור אל דוגמת הנדנדה, אזי לכל נדנדה יש זמן מחזור שאינו תלוי בקצב שבו אנחנו דוחפים אותה, אבל אם לא נדחוף אותה היא תפסיק בהדרגה להתנדנד. לעומת זאת, התנודות שהחוקרים יצרו בחלקיקים לא היו תלויות בקצב הדחיפה וגם לא בכוח הדחיפה, כך שהן אכן הציגו את התכונות העיקריות של גביש זמן.
מאז 2016 הצליחו מדענים להדגים גבישי זמן בכמה מערכות שונות. חוקרים הצליחו להשתמש לשם כך ביונים (חלקיקים בעלי מטען חשמלי) לכודים, באטומים שקוררו כמעט לאפס המוחלט, ובמערכות קוונטיות מורכבות נוספות. לאחרונה הודגמו לראשונה גבישים כאלה גם בניסוי בטמפרטורת החדר. זוהי התקדמות משמעותית, כי כשם שחימום יתר של מוצק עלול להתיך אותו ולהרוס את הסדר הגבישי שהיה בו, בניסויים שנעשו עד כה החוקרים השתדלו מאוד לשמור על המערכת מפני חימום ולמנוע רעשים סביבתיים שהיו עלולים להרוס את גביש הזמן.
במחקר חדש יחסית, שפורסם בחודש פברואר השנה בכתב העת Nature Communications, בנו החוקרים מערכת אופטית שהייתה עמידה הרבה יותר מקודמותיה לרעשי הסביבה. במהלך הניסוי פלטו החוקרים פעימות (פולסים) מיוחדות הנקראות סוליטונים (Solitons), שיכולות לנוע לאורך זמן בלי להשתנות ובלי לאבד אנרגיה. החוקרים גרמו לפעימות הללו לנוע באופן מחזורי ובתדירויות שונות, כך שהמערכת מראה את כל סימני ההיכר של גביש זמן.
ניסויים כאלה מקרבים את האפשרות להשתמש בגבישי זמן גם בניסויים פחות מורכבים, ובעתיד ליישם אותם גם בשימושים טכנולוגיים. אף שעוד לא ברור כיום אילו שימושים עשויים להיות לגבישי זמן, רבים מהעוסקים בתחום סבורים שאפשר יהיה לנצל את תכונותיהם הייחודיות לצורך מדידות רגישות, ובכלל זה מדידות זמן מדויקות במיוחד, או כזיכרון ארוך טווח במחשבים קוונטיים.
