بلورة زمنية جديدة غريبة تنبعث من اهتزازات متزامنة

بالنسبة لنا نحن البشر، فإن تدفق الوقت يسير في اتجاه واحد.

لقد مضى الأمس، وغدًا لم يأت بعد، وبغض النظر عن مدى دقة وإخلاص الساعة في تسجيل الثواني المارة، فلن نتمكن أبدًا من العودة إلى اللحظة التي مضت.

ولكن ل كريستال الوقتالأمور مختلفة جدًا.

الرتب التأسيسية لهذا الغامض حالة المادة – سواء كانت ذرات أو موجات صوتية أو عيوب طوبولوجية – يتم تنظيمها بشكل صارم في الوقت المناسب، وهو نمط متكرر من الإيقاعات التي يمكن قصها من التسجيل على فترات منتظمة وتركيبها بشكل مثالي، واحدة فوق الأخرى.

بعد أن كان يُعتقد أنه مستحيل، تمت ملاحظة بلورات الزمن في أنظمة بدءًا من الشبكات الذرية الفيزيائية وحتى الستايروفوم المرفوع.

الآن، اكتشف الفيزيائيون طريقة جديدة غريبة لنشوء بلورة زمنية – ليس من خلال فرض إيقاع خارجي، ولكن من خلال عملية عفوية تتدرج فيها الاهتزازات المتنافسة تدريجيًا – النظام الذي ينشأ تدريجيًا من الفوضى.

باستخدام مادة خارقة ثنائية الأبعاد مطبوعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد، لاحظ فريق دولي من الفيزيائيين بقيادة جوناس فينسترا من جامعة أمستردام في هولندا اهتزازات صغيرة وسريعة تفسح المجال لموجات أكبر وأبطأ تدريجيًا، حتى كان الهيكل بأكمله يتحرك بشكل متزامن.

يطلق الباحثون على هذه العملية اسم “خشونة الموجة”، ويمكن أن يكشفوا عن طريقة جديدة لتنظيم المادة نفسها في أنماط ثابتة مع مرور الوقت.

أحد أكبر التحديات التي تواجه أبحاث البلورات الزمنية هو مدى هشاشة هذه الأنظمة بشكل مدمر.

عندما تحاول الحفاظ على شيء ما في خطوة دقيقة للغاية، فإن أي اضطراب بسيط يمكن أن يؤدي إلى الفوضى. في الأنظمة ذات البعد المكاني واحد أو اثنين فقط، يمكن أن تكون هذه الاضطرابات مدمرة بشكل خاص.

وهذا ما يجعل ظهور إيقاع مستقر ومتزامن في مادة ثنائية الأبعاد أمرًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص.

أحد الطرق المحتملة لمثل هذا الترتيب يكمن في الطريقة التي تتفاعل بها الأجزاء المختلفة من المادة مع بعضها البعض.

أراد فينسترا وزملاؤه ملاحظة ما يحدث للموجات في النظام عندما لا يكون بالضرورة تأثير جزء من النظام على جزء آخر متبادلاً.

تُعرف هذه بالتفاعلات غير المتبادلة، ويمكن أن تنتج بعض الديناميكيات الغريبة. وفي ظل الظروف المناسبة، بدلًا من الاستقرار في خليط من التذبذبات المتنافسة، يمكن للموجات إعادة تنظيم نفسها تدريجيًا، مع استبدال الأنماط الأطول والأبطأ بالأنماط الأقصر والأسرع.

في نهاية المطاف، يمكن أن يظهر إيقاع واحد متماسك عبر النظام بأكمله.

إن إثبات إمكانية حدوث ذلك رياضيًا هو شيء واحد، ولكن إظهاره في مادة حقيقية هو أمر أكثر صعوبة بعض الشيء.

ولهذا السبب، قام الباحثون ببناء مادة خارقة غير عادية، مادة تنبثق خصائصها من بنيتها، وليس من تركيبتها.

كان يتألف من 37 وحدة مرتبة في شبكة تشبه قرص العسل، كل منها مصنوعة من ثلاثة أشكال سداسية مرنة مزودة بأجهزة استشعار ومحركات ووحدة تحكم إلكترونية صغيرة.

تمت برمجة المكونات للرد على بعضها البعض بطريقة خاصة جدًا. عندما يتم ضغط أحد الأشكال السداسية، يتم ضغط جاره في اتجاه عقارب الساعة أيضًا، بينما يتوسع جاره في اتجاه عقارب الساعة.

سمحت هذه الاستجابة غير المتكافئة للباحثين بهندسة التفاعلات غير المتبادلة التي أرادوا دراستها.

ثم قاموا بتحريك المادة.

لقد قاموا بدفع قرص العسل، وأدخلوا اضطرابات صغيرة وعشوائية في الهيكل، وشاهدوا ما حدث.

في البداية، بدأت الوحدات الفردية تهتز بسرعة، بمعدل 30 مرة في الثانية تقريبًا. ولكن بالتدريج، ظهرت موجات أكبر، تنتقل حول حافة المادة، وتطغى على التذبذبات الأصغر.

وبعد ذلك، مع ازدياد طول الأمواج، تباطأت اهتزازاتها حتى أصبح قرص العسل بأكمله يتحرك معًا في إيقاع واحد متزامن.

ومع ذلك، يمكن لأي شخص أن يصنع موجة. الجزء التالي يوضح أن الموجة هي بلورة زمنية.

ولهذا السبب، احتاج الباحثون إلى إثبات أن التذبذبات المتزامنة لم تكن مجرد ظاهرة عابرة، بل كانت شكلاً من أشكال النظام الذي يمكن أن يستمر حتى عندما تتصادم مع اضطرابات عشوائية.

لقد تحولوا إلى التحليل الرياضي والمحاكاة الحاسوبية، وأدخلوا الضوضاء في نموذجهم لمعرفة ما إذا كان من شأنه أن يدمر الإيقاع المتزامن.

لم يحدث ذلك. وأظهرت النتائج التي توصلوا إليها أن التذبذبات يمكن أن تظل متماسكة على الرغم من الاضطرابات، حتى مع اقتراب النظام من حجم لا نهائي فعليًا.

ولم يكن قرص العسل هو نهاية التجارب أيضًا. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان التأثير يمكن أن يظهر في نظام ذي بنية مختلفة، لذلك قاموا ببناء كعكة دائرية لتركبها الأمواج، مثل ثور ميكانيكي غريب للغاية يتقاطع مع لعبة الهوكي الهوائي.

كان يتألف من حلقة مرنة واحدة مزودة بـ 24 محركًا، مبرمجة لإنتاج تفاعلات غير متبادلة بين الأقسام المتجاورة. ووضعوه على طاولة هوائية، مما سمح له بالطفو بأقل قدر من الاحتكاك.

عندما قاموا بتنشيط المحركات واضطراب الحلقة، بدأت الموجات في السفر حول محيطها، مما أدى إلى تشويهها إلى سلسلة من الأشكال المتعددة الأضلاع المتغيرة.

ومع نمو الموجات لفترة أطول وأبطأ، طورت المضلعات جوانب أقل، حتى سيطر على حركة الحلقة نمط واحد واسع النطاق.

ولم يثبت الباحثون بشكل منفصل أن هذا النظام يشكل أيضًا بلورة زمنية، لكنه كشف شيئًا مهمًا حول خشونة الموجة.

أظهر تحليلهم الرياضي أنه مع نمو الموجات في اتساعها، فإنها تغير ديناميكيات النظام، مما يؤدي بشكل متزايد إلى تفضيل الموجات ذات الأطوال الموجية الأطول. ثم تزداد قوة هذه الموجات الأكبر، مما يؤدي إلى تحول التوازن لصالحها.

وهذا يخلق حلقة تغذية مرتدة تصبح فيها الموجات السائدة أكبر وأبطأ بشكل تدريجي، حتى تصل إلى الحدود التي يفرضها حجم المادة نفسها.

وبدلاً من الاضطرار إلى فرض إيقاع متزامن من الخارج، وجد الباحثون طريقة تمكن المادة من تنظيم اهتزازاتها الخاصة.

وأخيرا، كانت هناك مفاجأة أخرى. ووجد الباحثون أيضًا أن العملية يمكن أن تنقطع.

في نموذجهم الرياضي، أدت إضافة الاحتكاك إلى تغيير الموجات القادرة على النمو. تم قمع الموجات الأطول، مما منع الاهتزازات من الاستمرار في إعادة تنظيمها في أنماط أكبر من أي وقت مضى.

فبدلاً من سقوط المادة بأكملها في خطوة، يمكن للنظام أن يستقر في نوع مختلف من النظام – موجات مستمرة تنتقل في اتجاه واحد على طول حافته.

ويشير هذا إلى أن نفس الفيزياء الأساسية يمكن أن تنتج أنواعًا مختلفة من الحركة المنظمة، اعتمادًا على الظروف. ومن خلال فهم كيفية التحكم في تلك الظروف، قد يجد الباحثون في النهاية طرقًا جديدة لتوجيه الاهتزازات عبر المواد الهندسية.

يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف آثار في مجالات تتراوح من الصوتيات إلى الروبوتات الناعمة، على الرغم من أن التطبيقات العملية لا تزال بعيدة المنال.

ولكن ربما الجزء الأكثر إثارة هو أن الباحثين لم يكونوا بحاجة إلى حث وتوجيه إيقاع اهتزازات المادة. ومن خلال هندسة كيفية تفاعل مكوناته، خلقوا ظروفًا يمكن فيها للاهتزازات أن تنظم نفسها.

تشير نتائجهم إلى أن هذا التنظيم الذاتي يمكن أن يوفر طريقًا جديدًا للنظام الزمني القوي طويل الأمد والذي ثبت أنه من الصعب جدًا تحقيقه في بلورات الزمن.

“نتوقع أن يمثل خشونة الموجة طريقًا مثاليًا نحو التبلور الزمني في الأنظمة ذات التماثلات الإضافية وأنماط غولدستون المرتبطة بها.” يكتبون”والتي يمكن الاستفادة منها كاستراتيجية تحكم لتغييرات الشكل والحركة الموجهة في مجالات مثل الروبوتات والمادة النشطة والميكانيكا الضوئية مع التحولات الطورية غير المتبادلة.”

حسنا، من الواضح.

وقد تم نشر البحث في طبيعة.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وتم تحريره بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.