גביש זמן

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

בפיזיקה של חומר מעובה, גביש זמן הוא כינוי למערכת או תת-מערכת שמצבי האנרגיה הנמוכים שלה מתפתחים מעת לעת באופן מחזורי. שם זה הוצע תאורטית על ידי פרנק וילצ'ק בשנת 2012 כאנלוגיית זמן לגבישים נפוצים, שהם מחזוריים במרחב הפיזי.[1] מספר קבוצות שונות הדגימו חומר עם אבולוציה מחזורית יציבה במערכות מונעות מחזור.[2] מבחינת שימוש מעשי, חוקרים מסוימים טוענים שגבישי זמן עשויים לשמש כזיכרון קוונטי.[3]

קיומם של גבישים בטבע הוא ביטוי של שבירת סימטריה ספונטנית, המתרחשת כאשר המצב באנרגיה הנמוכה ביותר של מערכת פחות סימטרי מהמשוואות השולטות במערכת. במצב הקרקע של הגביש, הסימטריה התרגומית המתמשכת בחלל, נשברת ומוחלפת בסימטריה הדיסקרטית התחתונה של הגביש המחזורי. מכיוון שחוקי הפיזיקה הם סימטריים תחת תרגומים רציפים הן בזמן והן במרחב, עלתה השאלה בשנת 2012 האם ניתן לשבור את הסימטריה באופן זמני, וכך ליצור "גביש זמן" העמיד בפני אנטרופיה.[1]

אם נשברת סימטריה של תרגום זמן דיסקרטי (שעשויה להתממש במערכות מונעות מחזור), אז המערכת מכונה "גביש זמן דיסקרטי". גביש זמן נפרד לעולם אינו מגיע לשיווי משקל תרמי, מכיוון שהוא סוג (או שלב) של חומר שאינו שיווי משקל. שבירת סימטריית הזמן יכולה להתרחש רק במערכות שאינן בשיווי משקל.[2] גבישי זמן דיסקרטיים נצפו למעשה במעבדות הפיזיקה כבר בשנת 2016 (פורסם בשנת 2017). דוגמה אחת לגביש זמן, המדגים סימטריה של זמן לא שוויוני, היא טבעת שחגה ברציפות סביב ציר, של יונים טעונים, במצב אנרגיה הנמוך ביותר.[3]

סימטריה של תרגום זמן[עריכת קוד מקור | עריכה]

סימטריות בטבע מובילות ישירות לחוקי שימור, ועקרון זה מנוסח על ידי משפט נתר.[4]

הרעיון הבסיסי של סימטריית תרגום בזמן הוא שלתרגום בזמן אין השפעה על חוקים פיזיקליים, כלומר שחוקי הטבע החלים היום היו זהים בעבר ויהיו זהים בעתיד.[5] סימטריה זו מרמזת על שימור האנרגיה.[6]

סימטריה שבורה בגבישים רגילים[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהליך רגיל (N-process) ותהליך Umklapp (U-process). בעוד ש- N שומר על מומנט הפונון הכולל, תהליך ה- U משנה את מומנט הפונון.

גבישים נפוצים מפגינים סימטריה של תרגום שבור: יש להם דפוסים שחוזרים על עצמם בחלל ואינם משתנים תחת תרגומים או סיבובים שרירותיים. חוקי הפיזיקה אינם משתנים על ידי תרגומים שרירותיים וסיבובים. עם זאת, אם אנו מחזיקים את האטומים של גביש מקובעים, הדינמיקה של אלקטרון או חלקיק אחר בגביש תלויים באופן בו הוא נע יחסית לגביש, ומומנט החלקיקים יכול להשתנות על ידי אינטראקציה עם האטומים של הגביש, למשל ב תהליכי אומקלאפ.[7] לעומת זאת בגביש "מושלם" יש שימור של התנע הגבישי.[8]

גבישי הזמן מראים סימטריה שבורה המקבילה לשבירת סימטריה דיסקרטית של תרגום מרחב. לדוגמה, המולקולות של נוזל הקופא על פני גביש יכולות להתיישר עם מולקולות הגביש, אך עם דפוס פחות סימטרי מהגביש: הוא שובר את הסימטריה הראשונית. הסימטריה השבורה הזו מציגה שלושה מאפיינים חשובים:

  • למערכת סימטריה נמוכה יותר מהסידור הבסיסי של הגביש
  • המערכת מציגה סדר מרחבי וטמפורלי לטווח ארוך (בניגוד לסדר מקומי וסירוגין בנוזל ליד פני השטח של גביש)
  • היא תוצאה של יחסי גומלין בין מרכיבי המערכת, המתיישרים בינם לבין עצמם

תרמודינמיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

גבישי הזמן אינם מפרים את חוקי התרמודינמיקה: האנרגיה במערכת הכוללת נשמרת, גביש כזה אינו הופך ספונטנית אנרגיה תרמית לעבודה מכנית, והיא אינה יכולה לשמש מאגר עבודה תמידי. אך הוא עשוי להשתנות באופן תמידי בדפוס קבוע בזמן כל עוד ניתן לתחזק את המערכת. יש להם "תנועה ללא אנרגיה"[9] - התנועה לכאורה שלהם אינה מייצגת אנרגיה קינטית קונבנציונלית.[10]

הוכח כי גביש זמן אינו יכול להתקיים בשיווי משקל תרמי.[11] עם זאת, יש לשים לב שחמני ציין כי בהוכחה זו יש שגיאה מתוחכמת אשר גורמת לה להיות לא חוקית. ניסויים אחרונה בחיפוש גבישי זמן נפרדים במצבי האיזון שלהם מונעים מעת לעת, הובילו לחקר התחלות של שלבים חדשים של חומר בחוסר שיווי משקל.[12]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

פרסומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

תקשורת[עריכת קוד מקור | עריכה]

ספרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מאמרים אקדמיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ 1 2 Zakrzewski, Jakub (15 באוקטובר 2012). "Viewpoint: Crystals of Time". physics.aps.org. APS Physics. אורכב מ-המקור ב-2 February 2017. 
  2. ^ 1 2 Richerme, Phil (18 בינואר 2017). "How to Create a Time Crystal". physics.aps.org. American Physical Society. בדיקה אחרונה ב-5 באפריל 2021. 
  3. ^ 1 2 https://www.technologyreview.com/2016/10/04/157185/physicists-create-worlds-first-time-crystal/
  4. ^ Cao, Tian Yu (25 במרץ 2004). Conceptual Foundations of Quantum Field Theory. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-60272-3.  See p. 151.
  5. ^ Wilczek, Frank (16 ביולי 2015). A Beautiful Question: Finding Nature's Deep Design. Penguin Books Limited. ISBN 978-1-84614-702-9.  See Ch. 3.
  6. ^ Feng, Duan; Jin, Guojun (2005). Introduction to Condensed Matter Physics. singapore: World Scientific. ISBN 978-981-238-711-0.  See p. 18.
  7. ^ Sólyom, Jenö (19 בספטמבר 2007). Fundamentals of the Physics of Solids: Volume 1: Structure and Dynamics. Springer. ISBN 978-3-540-72600-5.  See p. 193.
  8. ^ Sólyom, Jenö (19 בספטמבר 2007). Fundamentals of the Physics of Solids: Volume 1: Structure and Dynamics. Springer. ISBN 978-3-540-72600-5.  See p. 191.
  9. ^ Crew, Bec. "Time Crystals Might Exist After All – And They Could Break Space-Time Symmetry". ScienceAlert (באנגלית). בדיקה אחרונה ב-21 בספטמבר 2017. 
  10. ^ ""Time Crystals" Could Be a Legitimate Form of Perpetual Motion". archive.is. 2 בפברואר 2017. אורכב מ-המקור ב-2017-02-02. בדיקה אחרונה ב-21 בספטמבר 2017. 
  11. ^ Watanabe, Haruki; Oshikawa, Masaki (2015). "Absence of Quantum Time Crystals". Physical Review Letters 114 (25): 251603. Bibcode:2015PhRvL.114y1603W. ISSN 0031-9007. PMID 26197119. arXiv:1410.2143. doi:10.1103/PhysRevLett.114.251603. 
  12. ^ Else, D. W.; Monroe, C.; Nayak, C.; Yao, N. Y. (מרץ 2020). "Discrete Time Crystals". Annual Review of Condensed Matter Physics 11: 467–499. doi:10.1146/annurev-conmatphys-031119-050658.