הסרטון הראשון של גביש זמן

במחקר משותף של חוקרים מגרמניה ופולין הוסרט לראשונה גביש זמן בפעולה. הגביש המיקרומטרי מורכב ממגנונים בטמפרטורת החדר. בעזרת קרינת רנטגן החוקרים מברלין הקליטו את המגנטיזציה של הגביש לאורך זמן ותיעדו את ההתנהגות המחזורית שלו

הגביש התיאורטי מתגלה כאפשרי

גביש הוא שם נרדף למוצק המורכב מאטומים המסודרים באופן מחזורי במרחב. אם מתבוננים בגבישים דרך מכשיר המיקרוסקופ, ניתן לראות דפוס מחזורי הממלא את החומר. בשנת 2012 זוכה פרס הנובל לפיזיקה פרנק וילצ’ק (שזכה על תיאור הכח החזק יחד עם דויד גרוס ודויד פוליצר) שאל האם ניתן לבנות גביש מחזורי במרחב-זמן, כלומר, סריג הנראה מחזורי לא רק במקטעים מרחביים קבועים, אלא גם במקטעי זמן קבועים. כשפרנק תיאר את גביש הזמן בפעם הראשונה הוא חשב שאילו מבנים היפותטיים שלא קיימים בטבע, אך לא עבר זמן רב מאז שהורכב גביש הזמן הראשון ב-2017, שהיה בגודל ננומטרי בטמפרטורה של מינוס 250 מעלות צלזיוס.

מדוע חשב פרנק שגבישי זמן אינם קיימים בטבע? כדי להבין לעומק את הספק של וילצ’ק, נקדיש כמה משפטים על גבישים בטבע. גבישים הנוצרים באופן טבעי נמצאים במצב שיווי משקל תרמודינאמי, כלומר האטומים המרכיבים את הגביש מתנהגים באופן זהה בכל רגע. האטומים יכולים לנוע, אך רק בתנועה רנדומית, כזו שלא יכולה להבחין בין מאורעות על ציר הזמן. להבדיל מגבישים טבעיים, גביש-זמן שובר את הסימטריה הזמנית גם במצב שיווי משקל. זו תופעה ידועה במכניקת הקוונטים המתוארת תחת המטרייה של “שבירה ספונטנית של סימטריה”. כלומר, חוקי הטבע סימטריים בזמן, אך החומר בוחר במצב פיזיקאלי השובר את הסימטריה הזמנית הרציפה, כזו המאפשרת לו לשנות את המבנה לאורך זמן. הרעיון נשמע דאז מופרך, משום שהוא מנוגד לעיקרון שימור אנרגיה במערכות בשיווי משקל, אך בשנת 2015 חוקרים מברקלי ומטוקיו פרסמו מאמר המגשר על הפער ומאפשר יצירת גביש זמן כל עוד מוזרמת אנרגיה לתוכו.

גביש זמן יציב בטמפרטורת החדר

במאמר שפורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters, חוקרים מגרמניה ופולין הצליחו לבנות גביש זמן בגודל מיקרומטרי ובטמפרטורת החדר. מדובר בקפיצת מדרגה משמעותית מאז הניסיון המפורסם האחרון ב-2017. הגביש שתואר במאמר האחרון בנוי מחלקיקים בעלי ספין חצי הממוקמים במרחקים קבועים אחד מהשני. החלקיקים משנים את כיוון הספין באופן מחזורי (ובכך נוצרים ה”מגנונים” – קווזי חלקיקים הנעים כ”גלי ספין”) ובעזרת קרינת רנטגן הקבוצה בברלין הצליחה להסריט את התהליך. בניסוי שנערך בגרמניה החוקרים הציבו סרט מגנטי מעל אנטנה מיקרוסקופית שדרכה שידרו גלי רדיו. גלים אלו יצרו שדה מגנטי מחזורי וסיפקו את האנרגיה הדרושה כדי לעורר מגנונים בחומר המגנטי. להבדיל מגלים עומדים קלאסיים, הגלים נוצרו כתוצאה מאפקטים קוונטיים של שזירה בין חלקיקי החומר. עדות ברורה לכך היא שהמגנונים הופיעו מהר יותר מהזמן שהיה לוקח אילו המנגנון היה קלאסי לחלוטין.

החוקרים הופתעו לגלות עד כמה יציב הגביש, גם אם הוא אינו מבודד מהסביבה. “בנינו מערכת מחזורית ממגנונים במרחב ובזמן, הכנסנו עוד מגננונים למערכת וכתוצאה מכך הם התפזרו. הראנו לראשונה שהגביש יכול להגיב לקוואזי חלקיקים. אף אחד לא הראה זאת בעבר, בטח ובטח שלא הסריט את התהליך”, הסביר ניק טרגר, דוקטורנט ממכון מקס פלאנק ואחד מכותבי המאמר.

גיסלה שוץ, מנהל המכון למערכות חכמות במכון על שם מקס פלנק מסביר ש”חזיתות הגל נצפו ברזולוציה גבוהה מהמצופה, פי 20 יותר מכל מיקרוסקופ אור הקיים בשוק. השיטה שפותחה כדי לצפות בגביש יכולה לצלם 40 מיליארד תמונות בשנייה ברגישות גבוהה מאוד לשדות המגנטים”. “יכולנו לצפות בגביש באיכות גבוהה באופן משמעותי מאלו שנצפו בעבר”, מוסיף פוואל גרוסקי, מדען מהמכון לפיזיקה על שם אדם מייקל מאוניברסיטת פוזנן. “גביש הזמן שלנו יכול להגיב בטמפרטורת החדר לקוואזי חלקיקים ולשמור על תכונותיו, בשונה מאלו שנבנו בעבר בסביבה מובדדת. סוף סוף נוכל להשתמש בגבישי זמן לצורך טכנולוגיות עתידיות”.

לקריאת המאמר המלא

עוד בנושא באתר הידען:

• הספין האלקטרוני
• גבישי הזמן שיגנו עלינו ממותו של היקום
• ‫מכונת הרנטגן המופלאה / נורה בֶּרָה ופיליפ ה’ בוקסבאום
• פירור מסלע קיומנו: מדענים גילו את הגביש הקדום ביותר בכדוה”א