Discrete time liquids

समय को आमतौर पर एक स्थिर नदी के रूप में देखा जाता है, जो एक निरंतर दर पर आगे की ओर बहती है, और अपने किनारों पर होने वाली घटनाओं के प्रति उदासीन रहती है। भौतिकी की दुनिया में, इस स्थिर प्रवाह को 'टाइम-ट्रांसलेशन सिमेट्री' (समय-अनुवाद समरूपता) के रूप में जाना जाता है: प्रकृति के नियम एक क्षण से दूसरे क्षण में नहीं बदलते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि यदि किसी प्रणाली को ऊष्मीय संतुलन (thermal equilibrium)—जहाँ ऊष्मा और ऊर्जा समान रूप से वितरित होती है—की स्थिति में छोड़ दिया जाए, तो वह अंततः एक स्थिर, अपरिवर्तनीय पैटर्न में व्यवस्थित हो जाएगी। यह माना जाता था कि ऐसी प्रणाली स्वतः ही अपनी मर्जी से टिक-टिक करना या दोलन करना शुरू नहीं कर सकती, जैसे कि उसकी अपनी आंतरिक घड़ी हो। यह विश्वास इतना मजबूत था कि इसे "नो-गो थीोरम्स" (no-go theorems) में संहिताबद्ध किया गया था, जो ऐसे गणितीय नियम थे जो एक शांत, संतुलित प्रणाली में किसी भी प्रकार के समय-आधारित क्रम को वर्जित करते प्रतीत होते थे। हालाँकि, "डिस्क्रीट टाइम क्रिस्टल्स" (discrete time crystals) की खोज ने इस दृष्टिकोण को चुनौती दी। ये पदार्थ की विशेष अवस्थाएँ हैं जो, जब एक नियमित, दोहराव वाले बाहरी बल द्वारा धकेली जाती हैं, तो वे एक धीमी, लयबद्ध गति से प्रतिक्रिया करती हैं। वे ड्राइव की समरूपता को तोड़ते हैं, और धक्के के एक अंश (fraction) की लय में बंध जाते हैं, जिससे एक प्रकार की अस्थायी संरचना उत्पन्न होती है जो बिना फीके पड़े बनी रहती है। लेकिन एक प्रश्न बना हुआ था: क्या एक पूर्ण, बाहरी मेट्रोनोम के बिना ऐसी लयबद्ध व्यवस्था मौजूद हो सकती है? क्या शुद्ध शोर (noise) से व्यवस्था उभर सकती है?

मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर द फिजिक्स ऑफ कॉम्प्लेक्स सिस्टम्स और साउथ चाइना नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रश्न का उत्तर एक नई पदार्थ अवस्था की पहचान करके दिया है जिसे वे "डिस्क्रीट टाइम लिक्विड" (discrete time liquid) कहते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन की एक श्रृंखला में, उन्होंने एक सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन (magnetic spins) के द्वि-आयामी ग्रिड का मॉडल तैयार किया, जो एक चुंबक में परमाणुओं के समान है, और इसे एक कैविटी (cavity) से जोड़ा गया—एक ऐसा बॉक्स जो प्रकाश या विद्युत चुम्बकीय तरंगों को कैद करता है। पिछले प्रयोगों के विपरीत, जिन्होंने प्रणाली को संचालित करने के लिए एक सटीक रूप से समयबद्ध, बाहरी लेजर का उपयोग किया था, यह सेटअप पूरी तरह से कैविटी के प्राकृतिक, यादृच्छिक तापीय उतार-चढ़ाव (thermal fluctuations) पर निर्भर था। कैविटी एक 'हीट बाथ' (heat bath) के संपर्क में थी, जिसका अर्थ था कि इसके आंतरिक कंपन एक सटीक घड़ी के बजाय यादृच्छिक तापीय शोर (thermal noise) द्वारा संचालित थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब इस हीट बाथ का तापमान एक विशिष्ट मध्यवर्ती स्तर पर सेट किया गया, तो स्पिन केवल अराजक रूप से नहीं हिले। इसके बजाय, वे स्वतः ही कैविटी के प्राकृतिक दोलन की आवृत्ति के ठीक आधे की लय में बंध गए। यह 'पीरियड-डबल्ड' (period-doubled) प्रतिक्रिया टाइम क्रिस्टल की विशेषता है, लेकिन एक महत्वपूर्ण अंतर के साथ: लय पूर्ण नहीं थी।

एक मानक टाइम क्रिस्टल में, लय कठोर और अपरिवर्तनीय होती है, जैसे कि एक मेट्रोनोम जो कभी अपनी ताल नहीं चूकता। इस नई "टाइम लिक्विड" अवस्था में, लय मजबूत है लेकिन एक विशिष्ट तरीके से नाजुक भी है। जबकि स्पिनों ने लंबे समय तक अपनी पीरियड-डबल्ड गति बनाए रखी, प्रणाली के व्यक्तिगत पथ कभी-कभी और यादृच्छिक रूप से लय के दो विपरीत चरणों (phases) के बीच स्विच कर जाते थे। कल्पना कीजिए कि एक घड़ी घंटों तक सटीक समय बताती है, लेकिन कभी-कभार, उसकी सुइयाँ अचानक एक पूरे चक्र आगे या पीछे कूद जाती हैं और फिर वापस सही ताल में सेट हो जाती हैं। शोधकर्ताओं ने इन अचानक उछालों को "टाइम-सॉलिटन्स" (time-solitons) के रूप में पहचाना, जो समय के प्रवाह में टोपोलॉजिकल दोष (topological defects) हैं। ये दोष अस्थायी व्यवस्था में 'ग्लिच' (glitch) की तरह कार्य करते हैं; वे स्थानीय लय को बनाए रखते हैं लेकिन पूरी प्रणाली में दीर्घकालिक सिंक्रोनाइज़ेशन को नष्ट कर देते हैं। क्योंकि ये ग्लिच किसी भी यादृच्छिक क्षण में हो सकते हैं, यदि आप एक साथ इन सभी प्रणालियों के एक बड़े संग्रह को देखेंगे, तो यादृच्छिक उछाल एक-दूसरे को रद्द कर देंगे, और औसत व्यवहार समय के एक सुचारू, निरंतर प्रवाह के रूप में दिखाई देगा। यह प्रभावी रूप से उस 'टाइम-ट्रांसलेशन सिमेट्री' को बहाल करता है जो व्यक्तिगत प्रक्षेप पथों (trajectories) में टूट गई थी, जिससे पता चलता है कि यह नई प्रकार की व्यवस्था ऊष्मीय संतुलन में भी अस्तित्व में रह सकती है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ ऐसी व्यवस्था पहले असंभव मानी जाती थी।

अध्ययन यह प्रकट करता है कि इस व्यवस्था का उदय प्रति-सहज (counterintuitive) है। आमतौर पर, ऊष्मा और शोर को व्यवस्था के दुश्मन के रूप में देखा जाता है, जो पैटर्न को धुंधला करते हैं और संरचना को नष्ट करते हैं। यहाँ, शोधकर्ताओं ने पाया कि अस्थायी व्यवस्था केवल तभी प्रकट हुई जब तापीय शोर इतना पर्याप्त था कि वह महत्वपूर्ण हो सके, लेकिन इतना भी प्रबल नहीं था कि पूरी प्रणाली को ही अभिभूत कर दे। यदि तापमान बहुत कम होता, तो तापीय उतार-चढ़ाव लयबद्ध प्रतिक्रिया को सक्रिय करने के लिए बहुत कमजोर होते, और स्पिन स्वतंत्र रूप से प्रीसेस्ड (precessed) होते। यदि तापमान बहुत अधिक होता, तो शोर बहुत अराजक होता, और प्रणाली अव्यवस्थित हो जाती। केवल एक संकीर्ण मध्यवर्ती तापमान विंडो में ही, स्पिन शोर का लाभ उठाकर एक स्थिर, पीरियड-डबल्ड लय बना सकते थे। यह घटना उन सिमुलेशन में देखी गई जहाँ कैविटी के 'कोहेरेंस टाइम' (coherence time)—वह अवधि जिसके दौरान उसके दोलन अनुमानित रहते हैं—को बदला गया था। जब कोहेरेंस टाइम लंबा था, तो प्रणाली एक क्लासिक टाइम क्रिस्टल की तरह व्यवहार करती थी जिसमें एक निश्चित लय थी। जैसे-जैसे कोहेरेंस टाइम कम हुआ, प्रणाली "टाइम लिक्विड" चरण में परिवर्तित हो गई, जहाँ लय बनी रही लेकिन टाइम-सॉलिटन्स द्वारा लगातार बाधित होती रही।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह व्यवहार उनके विशिष्ट सेटअप का कोई कृत्रिम परिणाम (artifact) नहीं था बल्कि प्रणाली का एक मौलिक गुण था। उन्होंने एक सरल गणितीय मॉडल विकसित किया जिसने प्रणाली को यादृच्छिक स्विचों की एक श्रृंखला के रूप में माना, जहाँ एक "ग्लिच" होने की संभावना टाइम-सॉलिटन्स के घनत्व द्वारा निर्धारित होती थी। इस न्यूनतम मॉडल ने जटिल सिमुलेशन में देखे गए पूर्ण 'टाइम कोरिलेशन' (time correlations) को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिससे पता चलता है कि इस बहु-शरीर (many-body) प्रणाली के व्यवहार को इन अस्थायी दोषों के सरल सांख्यिकी के माध्यम से समझा जा सकता है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि "टाइम लिक्विड" पदार्थ की एक अलग अवस्था है, जो एक अव्यवस्थित गैस और एक कठोर टाइम क्रिस्टल दोनों से भिन्न है। यह एक ऐसी अवस्था का प्रतिनिधित्व करता है जहाँ अस्थायी व्यवस्था स्थानीय रूप से बनी रहती है लेकिन वैश्विक रूप से तरल होती है, जिससे प्रणाली ऊष्मीय संतुलन की स्थिति में रहते हुए भी जटिल, लयबद्ध गतिकी प्रदर्शित कर सकती है।

यह कार्य इस बात को समझने के लिए एक नया मार्ग खोलता है कि अव्यवस्था से व्यवस्था कैसे उत्पन्न हो सकती है। यह सुझाव देता है कि पदार्थों की संभावित अवस्थाओं का परिदृश्य पहले की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध है, जिसमें ऐसी अवस्थाएँ हो सकती हैं जो ऊष्मीय संतुलन में मौजूद हो सकती हैं और फिर भी टाइम-क्रिस्टलाइन व्यवहार के लक्षण प्रदर्शित कर सकती हैं। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि इस घटना को वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में देखा जा सकता है, जैसे कि ऑप्टिकल कैविटी में फंसे अति-शीत (ultracold) परमाणुओं या सतह फोनोन पोलरिटोन (surface phonon polaritons) से जुड़ी कंडेंस्ड मैटर प्रणालियों के साथ, जो सामग्री की सतह पर विद्युत आवेश और कंपन की लहरें हैं। इन सेटअपों में, वातावरण के प्राकृतिक उतार-चढ़ाव 'नॉइजी ड्राइव' (noisy drive) के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को प्रयोगशाला में इन 'टाइम लिक्विड्स' को बनाने और अध्ययन करने की संभावना मिल सकती है। यह खोज इस लंबे समय से चले आ रहे दृष्टिकोण को चुनौती देती है कि ऊष्मीय संतुलन एक स्थिर स्थिरता की स्थिति होनी चाहिए, यह दिखाने के बजाय कि इसमें समय का एक सूक्ष्म, तरल जैसा रूप हो सकता है जो बहता है, लड़खड़ाता है और फिर से संवर जाता है, जो उसी शोर से संचालित होता है जिसे कभी इसे नष्ट करने वाला माना जाता था।