Local Dephasing Sustains Continuous Time Crystals in a Spin-1/2 Ensemble

في العالم الكمي، غالبًا ما تتصرف الجسيمات مثل الإلكترونات والذرات بطريقة تشبه موجات الاحتمالية أكثر من كونها كرات صلبة. عندما تكون هذه الجسيمات معزولة، يمكنها الحفاظ على حالة دقيقة من "التماسك"، حيث تظل خصائصها الموجية متزامنة بشكل مثالي. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، لا يوجد شيء معزول حقًا؛ فالجسيمات تتفاعل باستمرار مع محيطها، وهذا التفاعل عادة ما يدمر ذلك التزامن الدقيق، وهي عملية يسميها العلماء "فقدان التماسك" (decoherence). لعقود من الزمن، كان الرأي السائد هو أن هذا الفقدان للنظام هو عملية تدميرية بحتة، وهي قوة تحول السلوك الإيقاعي الدقيق للأنظمة الكمية إلى ضوضاء عشوائية. قضى العلماء سنوات في محاولة حماية تجاربهم من هذه الضوضاء، معتبرين إياها عدوًا يجب القضاء عليه. ومع ذلك، يطرح خط جديد من البحث سؤالاً غير بديهي: هل يمكن لهذه الضوضاء نفسها، إذا فُهمت بشكل صحيح، أن تُستخدم لإنشاء واستدامة نوع جديد من النظام؟

يقود هذا السؤال إلى مفهوم بلورات الزمن. بخلاف البلورات العادية، التي لها نمط متكرر في المكان، فإن بلورات الزمن هي أنظمة تكرر نمطها في الزمان. فهي تظهر حركة إيقاعية مستمرة تستمر إلى أجل غير مسمى دون أي دفع أو سحب خارجي. وبينما تتطلب بعض بلورات الزمن "ركلة" دورية من مصدر خارجي للحفاظ على حركتها، يُفترض أن نسخة أكثر استعصاءً تسمى "بلورة الزمن المستمرة" تستمر في النبض من تلقاء نفسها، مدفوعة فقط بديناميكياتها الداخلية والبيئة المحيطة بها. ويكمتمثل التحدي في إيجاد طريقة لإبقاء هذه الأنظمة متحركة دون أن تتوقف بسبب الاحتكاك أو فقدان الطاقة. وقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة جنوب الصين العادية الآن أن نوعًا محددًا من الضوضاء البيئية، المعروف باسم "إزالة الطور النقية" (pure dephasing)، لا يدمر النظام فحسب، بل يمكنه في الواقع تغذية بلورة زمن مستمرة في مجموعة من المغانط المتفاعلة.

درس الباحثون نموذجًا نظريًا لمجموعة كبيرة من المغانط الصغيرة، أو "اللفات المغزلية" (spaves)، المتصلة جميعها ببعضها البعض في ترتيب فيرومغناطيسي. في هذا الإعداد، ترغب هذه اللفات في الاصطفاف مع بعضها البعض، مما يخلق حالة جماعية. ومع ذلك، تخضع كل لفة أيضًا لنوعين من التداخل البيئي: فقدان الطاقة، حيث تسترخي اللفة لتصل إلى حالة طاقة أقل، وإزالة الطور النقية، التي تشتت الطور الكمي للفة دون تغيير مستوى طاقتها. عادة ما يُنظر إلى إزالة الطور النقية على أنها مصدر إزعاج يقتل التأثيرات الكمية. لكن الباحثين وجدوا أنه عند إدخال إزالة الطور هذه في نموذجهم، حدث شيء غير متوقع. فبدلاً من أن يستقر النظام في حالة ثابتة ساكنة، بدأ في التذبذب؛ حيث بدأت اللفات في التأرجح ذهابًا وإيابًا في إيقاع منسق استمر لفترة طويلة، لتصبح فعليًا بلورة زمن مستمرة.

لفهم كيفية عمل ذلك، نظر الفريق بدقة في تدفق الطاقة داخل النظام. واكتشفوا آلية دقيقة حيث تقوم عملية إزالة الطور بضخ الطاقة فعليًا في التفاعل الجماعي بين اللفات. في الحالة العادية، تعمل إزالة الطور فقط على تشتيت المعلومات، ولكن في هذا النظام المتفاعل تحديدًا، تجبر اللفات على تغيير اصطفافها بطريقة تزيد مؤقتًا من طاقة تفاعلها. هذا يشبه نظامًا يحصل على دفعة مفاجئة من القوة. ومع ذلك، فإن الدفعة وحدها ليست كافية لإبقاء الساعة تعمل للأبد؛ إذ سيفقد النظام تلك الطاقة في النهاية عبر قنوات أخرى. وكان المفتاح في هذا الاكتشاف هو العثور على أن النظام يحتوي على تأخير مدمج؛ فالطاقة التي يتم ضخها لا تختفي فورًا، بل يستغرق النظام وقتًا محددًا للاسترخاء وتحرير تلك الطاقة. هذا التأخير يخلق حلقة تغذية راجعة؛ فالطاقة التي يطلقها النظام تؤثر مرة أخرى على اللفات، وتدفعها في الاتجاه الصحيح للحفاظ على الحركة، مما يعوض فعليًا الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك.

أثبت الباحثون رياضيًا أنه بدون هذا النوع المحدد من إزالة الطور، ستتوقف التذبذبات. فإذا أزالوا إزالة الطور، سيسترخي النظام ببساطة إلى حالة ثابتة ويتوقف عن الحركة. لذا، فإن إزالة الطور ليست مجرد أثر جانبي، بل هي المكون الأساسي الذي يسمح باستمرار الحركة. كما أظهروا أن الطاقة المكتسبة من إزالة الطور والطاقة المفقودة بسبب الاسترخاء تتوازنان تمامًا خلال دورة كاملة من الحركة. وهذا التوازن ليس عرضيًا، بل هو نتيجة مباشرة للتأخير الزمني بين وقت إضافة الطاقة ووقت تحريرها. يستخدم النظام أساسًا "الفجوة الزمنية" في استجابته الخاصة للحفاظ على الإيقاع.

وبعيدًا عن البرهان الرياضي، استكشف الباحثون كيف يبدو هذا في نظام ذي حجم محدود، حيث يكون عدد اللفات كبيرًا ولكنه ليس لانهائيًا. ووجدوا أن التذبذبات تظل قوية مع نمو النظام؛ حيث يصبح الإيقاع أكثر استقرارًا، وتستقر ترددات التذبذب عند قيمة محددة لا تتغير بتغير حجم النظام. وهذا هو السمة المميزة لبلورة زمن حقيقية: الحركة هي خاصية للنظام نفسه، وليست تقلبًا عابرًا. كما بحثوا في كيفية ظهور هذه الحركة في تجربة حقيقية، من خلال محاكاة كيفية قيام كاشف بعدّ الفوتونات المنبعثة من اللفات الآخذة في الاضمحلال. وأظهرت عمليات المحاكاة الخاصة بهم أنه حتى مع الضوضاء المتأصلة في عد الجسيمات الفردية، ستكون الإشارة الإيقاعية لبلورة الزمن واضحة تمامًا في البيانات، بشرط أن يكون النظام كبيرًا بما يكفي.

كشفت الدراسة أيضًا عن تعقيد رائع في كيفية سلوك النظام عبر أوقات طويلة جدًا. فبينما يتنبأ النموذج المثالي بدورة مثالية لا تنتهي، فإن النظام الكمي الحقيقي يخضع لتقلبات عشوائية. يمكن لهذه التقلبات أن تخرج النظام أحيانًا عن حركته الإيقاعية وتدفعه إلى حالة ثابتة حيث يتوقف عن التذبذب. ومع ذلك، فإن النظام لا يبقى عالقًا هناك؛ فالتقلبات ذاتها التي توقف الحركة يمكنها أيضًا إعادة النظام إلى الإيقاع. لاحظ الباحثون أن النظام يمكنه التنقل ذهابًا وإيابًا بين حالة الحركة المستقرة وحالة السكون، حيث تعمل الحالة الإيقاعية كجسر بين نقطتي سكون مختلفتين. وهذا يعني أن بلورة الزمن ليست مجرد جسم صلب وغير قابل للتغيير، بل هي جزء ديناميكي حي من مشهد أوسع من الاحتمالات، قادر على أن يُقطع ويُعاد تنشيطه.

يغير هذا العمل الطريقة التي يفكر بها العلماء في الضوضاء في الأنظمة الكمية. فهو يوضح أن ما كان يُعتبر سابقًا قوة تدميرية بحتة يمكن، في ظل الظروف المناسبة، تسخيرها لإنشاء واستدناء سلوك منظم ومعقد. لم يكتف الباحثون بمراقبة هذه الظاهرة فحسب، بل تتبعوا المسار الدقيق لتدفق الطاقة الذي يجعل ذلك ممكنًا، وحددوا الدور المحدد لإزالة الطور في شحن النظام ودور الاسترخاء في تفريغه مع وجود تأخير. ومن خلال إثبات أن هذه الآلية ضرورية لوجود الحركة، فقد قدموا مخططًا واضحًا لكيفية استدامة بلورات الزمن المستمرة في العالم الحقيقي. وتشير النتائج إلى أنه في المجال الكمي، لا يكون فقدان التماسك دائمًا هو نهاية القصة؛ بل أحيانًا، يكون هو الشيء الذي يجعل القصة تستمر.