یک مطالعه نظری جدید نشان میدهد که بلورهای زمانی ممکن است قادر به اندازهگیری زمان با دقت بیشتری نسبت به ساعتهای اتمی مبتنی بر لیزر باشند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، در دنیای امروزی، ساعتهای دقیق نقشی حیاتی در بسیاری از فناوریهای مهم ایفا میکنند. ساعتهای اتمی که برای ناوبری GPS، ارتباطات ماهوارهای و آزمایشهای فیزیک بنیادی مورد استفاده قرار میگیرند، با استفاده از لیزرها و اتمهای کنترلشده، زمان را اندازهگیری میکنند. این ساعتها بسیار دقیق هستند، اما نگهداری آنها بسیار پیچیده و پرهزینه است. علاوه بر این، ساعتهای اتمی نیاز به انرژی زیادی دارند و نمیتوانند به راحتی در خارج از آزمایشگاههای تخصصی استفاده شوند. این ساعتها با استفاده از لیزرهایی که الکترونها را در اتمها به انرژیهای بالاتر تحریک میکنند، اندازهگیری دقیق زمان را امکانپذیر میسازند. اما این فرایند نیازمند انرژی زیاد و کنترلهای دقیق است. به همین دلیل، محققان به دنبال راههایی سادهتر و پایدارتر برای اندازهگیری زمان بودهاند.
بخوانید: نخستین اسکنر مغزی کوانتومی جهان برای تشخیص آسیب انفجار ساخته شد
بلورهای زمانی که در فیزیک به عنوان یک حالت غیرمعمول از ماده شناخته میشوند، به تازگی توجه فیزیکدانها را به خود جلب کردهاند. این بلورها برخلاف سایر بلورها که در فضا تکرار میشوند، در زمان تکرار میگردند. به عبارت دیگر، بلورهای زمانی دارای نوسانات داخلی هستند که به طور منظم در زمان تکرار میشوند، بدون اینکه به طور مداوم انرژی مصرف کنند. این نوسانات خودبهخود تولید میشوند و نیاز به تحریک خارجی ندارند. اولین بار در سال ۲۰۱۶، بلورهای زمانی به طور تجربی مورد آزمایش قرار گرفتند و فیزیکدانها متوجه شدند که حرکت آنها ناشی از تعاملات داخلی سیستم است. اکنون، مطالعه جدیدی مطرح میکند که شاید این ویژگیهای بلورهای زمانی بتوانند به عنوان یک ساعت کوانتومی عمل کنند و زمان را با دقتی بسیار بالا اندازهگیری نمایند و راهی سادهتر و پایدارتر برای اندازهگیری زمان ارائه دهند.
برای مطالعه: نصب نخستین ساعت اتمی کوانتومی بر روی زیردریایی بدون سرنشین
گروهی از محققان برای آزمایش این فرضیه، یک مدل ریاضی از یک سیستم شامل ۱۰۰ ذره کوانتومی ساختند. این ذرات میتوانستند در یکی از دو حالت اسپین —بالا یا پایین— قرار بگیرند. سپس محققان بررسی کردند که چگونه این ذرات در حالتهای مختلف خود با گذشت زمان تغییر میکنند. آنها دو فاز مختلف عملکردی سیستم شامل فاز متداول و فاز بلور زمانی را مطالعه کردند. در فاز متداول، اسپینهای جمعی تنها زمانی نوسان میکنند که تحت تأثیر یک لیزر خارجی قرار بگیرند. اما در فاز بلور زمانی، الگوی تکراری در رفتار جمعی به طور خودبهخود ظاهر میشود و نیازی به تحریک خارجی ندارد. در ادامه محققان بررسی کردند که چگونه هر فاز میتواند زمان را اندازهگیری کند و دقت آنها را با یکدیگر مقایسه کردند.
بخوانید: ساعتهای هستهای فوق دقیق ابداع شدند
نتایج این مطالعه نشان داد که فاز متداول به سرعت دقت خود را از دست میدهد، اما فاز بلور زمانی همچنان دقت خود را حفظ میکند. در آزمایشات انجامشده، زمانی که محققان سعی کردند زمانهای بسیار کوتاهتری را اندازهگیری کنند، فاز متداول شروع به از دست دادن دقت کرد. در مقابل، فاز بلور زمانی توانست دقت خود را حفظ کند و سیگنال مرجع پایدارتری ارائه دهد. این نتایج نشان میدهند که بلورهای زمانی میتوانند در اندازهگیری دقیق زمان در مقایسه با سیستمهای مبتنی بر تحریک خارجی، بهتر عمل کنند و از دقت بیشتری برخوردار باشند. این ویژگی باعث میشود که بلورهای زمانی گزینهای جذاب برای استفاده در ساعتهای کوانتومی پیشرفته باشند.
اگرچه این نتایج تنها در سطح نظری هستند و هنوز هیچ مدرک تجربی وجود ندارد، اما مطالعه جدید، پایهریزی ریاضی قدرتمندی را برای توسعه ساعتهای کوانتومی جدید بر اساس بلورهای زمانی فراهم میکند. برای ساخت ساعتهای عملی مبتنی بر بلورهای زمانی، نیاز به پیشرفتهای فناوری بزرگ و حل مشکلاتی مانند نویز، نواقص و اختلالات محیطی وجود دارد. با وجود این، اگر این فناوریها در آینده به طور تجربی به وقوع بپیوندند، میتوانند تأثیرات زیادی در بسیاری از زمینهها داشته باشند. ساعتهای کوانتومی مبتنی بر بلورهای زمانی ممکن است کاربردهای گستردهای در زمینههای مختلف از جمله ارتباطات ایمن، ناوبری پیشرفته و علوم فیزیک بنیادی پیدا کنند.
بخوانید: اندازه گیری زمان با پدیدههای تصادفی به کمک مدل ریاضی جدید
بلورهای زمانی پتانسیل بالایی برای توسعه ساعتهای کوانتومی دقیقتر و پایدارتر دارند. اگر این فناوری به طور عملی توسعه یابد، میتواند تحولی بزرگ در اندازهگیری زمان به وجود آورد و باعث پیشرفتهای مهمی در علوم و فناوریهای مختلف شود. با توجه به اهمیت زمان در بسیاری از تکنولوژیهای روزمره، این دستاورد میتواند به عنوان یک گام بزرگ در مسیر پیشرفت علم و تکنولوژی شناخته شود.
