فیزیک‌دانان با بررسی ارتعاشات در مواد مهندسی‌شده، سازوکاری تازه برای شکل‌گیری نظم زمانی کشف کرده‌اند؛ فرایندی که در آن ارتعاشات کوچک و سریع، به‌تدریج جای خود را به موج‌های بزرگ‌تر و کندتر می‌دهند تا سرانجام کل ساختار با آهنگی هماهنگ نوسان کند. این یافته می‌تواند مسیر تازه‌ای برای دستیابی به بلورهای زمانی پایدارتر بگشاید؛ ساختارهایی که نظم آن‌ها نه در فضا، بلکه در زمان تکرار می‌شود.
بلور زمانی چیست و چه تفاوتی با مواد معمولی دارد؟
به گزارش سیناپرس، در تجربه روزمره ما، زمان همواره رو به جلو حرکت می‌کند. دیروز گذشته است و فردا هنوز نرسیده؛ حتی دقیق‌ترین ساعت‌ها نیز نمی‌توانند ما را به لحظه‌ای که سپری شده است، بازگردانند.
اما در بلورهای زمانی، وضعیت متفاوت است. در این حالت خاص از ماده، اجزای سامانه می‌توانند الگویی منظم و تکرارشونده در زمان ایجاد کنند؛ الگویی که در فاصله‌های زمانی مشخص تکرار می‌شود و در طول زمان دوام می‌آورد.
این نظم زمانی ممکن است از برهم‌کنش اتم‌ها، امواج صوتی یا عیب‌های توپولوژیک در مواد پدید آید. بلورهای زمانی که زمانی شکل‌گیری آن‌ها ناممکن تصور می‌شد، اکنون در سامانه‌های فیزیکی مختلف، از شبکه‌های اتمی تا ساختارهای شناور ساخته‌شده از پلی‌استایرن، مشاهده شده‌اند.
اکنون گروهی بین‌المللی از فیزیک‌دانان به سرپرستی یوناس وینسترا (Jonas Veenstra) از دانشگاه آمستردام هلند، راه تازه‌ای برای شکل‌گیری چنین نظمی شناسایی کرده‌اند؛ راهی که برخلاف روش‌های متداول، به تحمیل یک آهنگ خارجی نیاز ندارد. در این سازوکار، ارتعاشات رقیب به‌تدریج با یکدیگر هماهنگ می‌شوند و نظم از دل آشفتگی پدید می‌آید.
پژوهشگران این فرایند را «درشت‌شدن موج» (Wave Coarsening) نامیده‌اند؛ پدیده‌ای که می‌تواند درک ما از چگونگی شکل‌گیری الگوهای پایدار زمانی در مواد را گسترش دهد.
چرا ایجاد بلور زمانی پایدار دشوار است؟
یکی از چالش‌های اساسی در پژوهش درباره بلورهای زمانی، شکنندگی این سامانه‌هاست. هنگامی که حفظ هماهنگی دقیق میان اجزای یک ساختار ضروری باشد، حتی اختلالی کوچک می‌تواند نظم ایجادشده را بر هم بزند. این مسئله در سامانه‌هایی با یک یا دو بُعد مکانی اهمیت بیشتری دارد، زیرا آشفتگی‌ها می‌توانند پایداری الگوی هماهنگ را به‌شدت تهدید کنند.
یکی از راه‌های احتمالی برای غلبه بر این مشکل، بررسی نحوه برهم‌کنش بخش‌های مختلف یک ماده است.وینسترا و همکارانش می‌خواستند بدانند اگر تأثیر یک بخش از سامانه بر بخش دیگر با تأثیر متقابل آن بخش یکسان نباشد، امواج چگونه رفتار خواهند کرد.
این نوع برهم‌کنش، «برهم‌کنش نامتقابل» یا «غیرمتقابل» (Non-reciprocal Interaction) نام دارد. در چنین شرایطی، پاسخ دو بخش به یکدیگر لزوماً متقارن نیست. این ویژگی می‌تواند رفتارهای دینامیکی متفاوتی ایجاد کند و تحت شرایط مناسب، به‌جای باقی‌ماندن ارتعاشات درهم‌ریخته و رقابت میان آن‌ها، زمینه را برای شکل‌گیری الگوهایی بزرگ‌تر و کندتر فراهم سازد.
در نهایت، ممکن است یک ریتم منسجم بر کل سامانه حاکم شود.البته نشان‌دادن امکان چنین رفتاری در مدل‌های ریاضی با ایجاد و مشاهده آن در یک ماده واقعی تفاوت دارد. برای بررسی تجربی این ایده، پژوهشگران یک فراماده با ساختار ویژه طراحی کردند.
آزمایش با فراماده‌ای چاپ‌شده با فناوری سه‌بعدی
فراماده‌ها موادی هستند که ویژگی‌های آن‌ها بیش از آنکه به ترکیب شیمیایی‌شان وابسته باشد، از ساختار مهندسی‌شده آن‌ها ناشی می‌شود.فراماده مورد استفاده در این پژوهش با چاپ سه‌بعدی ساخته شد و از ۳۷ واحد به‌هم‌پیوسته تشکیل شده بود که در آرایشی شبیه لانه زنبور کنار هم قرار داشتند. هر واحد از سه شش‌ضلعی کشسان تشکیل می‌شد و حسگرها، محرک‌ها و یک کنترل‌کننده الکترونیکی کوچک داشت.
اجزای این ساختار به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شده بودند که واکنش آن‌ها به حرکت همسایگان، نامتقارن باشد. برای مثال، هنگامی که یکی از شش‌ضلعی‌ها فشرده می‌شد، شش‌ضلعی مجاور در جهت ساعت‌گرد نیز فشرده می‌شد، اما همسایه آن در جهت پادساعت‌گرد انبساط پیدا می‌کرد.
این تفاوت در پاسخ اجزا، امکان ایجاد و بررسی برهم‌کنش‌های غیرمتقابل را برای پژوهشگران فراهم کرد.سپس محققان با واردکردن یک تحریک اولیه، اختلالات کوچک و تصادفی در ساختار ایجاد کردند و تحول ارتعاشات را زیر نظر گرفتند.
در آغاز، واحدهای منفرد با سرعتی در حدود ۳۰ بار در ثانیه ارتعاش می‌کردند. اما به‌تدریج، موج‌های بزرگ‌تری در امتداد لبه‌های ماده شکل گرفتند و بر نوسان‌های کوچک‌تر غلبه کردند.با افزایش طول موج‌ها، سرعت نوسان آن‌ها نیز کاهش یافت تا سرانجام تمام ساختار لانه‌زنبوری در یک ریتم هماهنگ حرکت کرد.
توضیح تصویر: در آزمایش فراماده، ارتعاشات کوچک و نامنظم به‌تدریج به موج‌های بزرگ‌تر تبدیل شدند و در نهایت، کل ساختار به الگویی هماهنگ رسید. رنگ‌ها فاز نوسان‌ها را نشان می‌دهند.
آیا هر موج هماهنگی، یک بلور زمانی است؟
مشاهده شکل‌گیری موج به‌تنهایی برای اثبات وجود بلور زمانی کافی نیست. پژوهشگران باید نشان می‌دادند که این نوسان‌های هماهنگ صرفاً پدیده‌ای گذرا نیستند، بلکه نوعی نظم پایدار ایجاد می‌کنند که در برابر اختلالات تصادفی نیز دوام می‌آورد.
برای بررسی این موضوع، آن‌ها از تحلیل‌های ریاضی و شبیه‌سازی رایانه‌ای استفاده کردند. در مدل‌های خود، نویز و اختلالات تصادفی وارد کردند تا مشخص شود آیا این عوامل می‌توانند هماهنگی ایجادشده را از بین ببرند یا خیر.
نتایج نشان داد نوسان‌ها حتی در حضور این اختلالات نیز می‌توانند انسجام خود را حفظ کنند. این پایداری در مدل‌سازی‌ها، حتی زمانی که سامانه به حد اندازه‌ای بسیار بزرگ و در عمل نامتناهی نزدیک می‌شد، برقرار بود.
این یافته نشان داد که درشت‌شدن موج می‌تواند سازوکاری برای دستیابی به نظم زمانی پایدار باشد؛ هرچند نتیجه شبیه‌سازی به‌تنهایی به معنای اثبات شکل‌گیری بلور زمانی در تمام مواد یا سامانه‌های مشابه نیست.
آزمایش دوم؛ از موج‌های پیچیده تا شکل‌های ساده‌تر
پژوهشگران برای بررسی اینکه آیا این فرایند به ساختار لانه‌زنبوری محدود است، آزمایش دیگری نیز طراحی کردند.آن‌ها حلقه‌ای کشسان با ۲۴ موتور ساختند و موتورهای آن را طوری برنامه‌ریزی کردند که میان بخش‌های مجاور، برهم‌کنش‌های غیرمتقابل ایجاد شود. حلقه روی میز هوایی قرار گرفت تا با کمترین اصطکاک حرکت کند.
با روشن‌شدن موتورها و ایجاد اختلال در حلقه، موج‌هایی در امتداد محیط آن به حرکت درآمدند و حلقه را به شکل چندضلعی‌هایی با شکل متغیر درآوردند.
با افزایش طول موج‌ها و کاهش سرعت نوسان، تعداد ضلع‌های این چندضلعی‌ها کمتر شد؛ تا جایی که حرکت حلقه عمدتاً تحت تأثیر یک الگوی بزرگ‌مقیاس قرار گرفت.
پژوهشگران به‌طور مستقل اثبات نکردند که این حلقه نیز به بلور زمانی تبدیل شده است؛ بااین‌حال، آزمایش نشان داد که فرایند درشت‌شدن موج می‌تواند در معماری متفاوتی نیز رخ دهد.
توضیح تصویر: در حلقه کشسان مجهز به ۲۴ موتور، موج‌های کوتاه‌تر به‌تدریج جای خود را به موج‌های بلندتر می‌دهند و شکل حلقه از چندضلعی‌های پیچیده‌تر به الگوهایی ساده‌تر تغییر می‌کند.
چگونه ارتعاشات، خودبه‌خود منظم می‌شوند؟
تحلیل‌های ریاضی پژوهشگران نشان داد که با افزایش دامنه موج‌ها، دینامیک سامانه نیز تغییر می‌کند. این تغییرات به‌تدریج شرایط را برای رشد موج‌هایی با طول موج بیشتر فراهم می‌سازند.موج‌های بزرگ‌تر نیز با تقویت‌شدن، تعادل سامانه را بیشتر به سود خود تغییر می‌دهند. در نتیجه، چرخه‌ای از بازخورد مثبت شکل می‌گیرد: موج‌های غالب بزرگ‌تر و کندتر می‌شوند تا در نهایت به محدودیت‌های ناشی از اندازه خود ماده برسند.
به این ترتیب، برای ایجاد ریتم هماهنگ لازم نیست نیرویی خارجی، ضرب‌آهنگی مشخص را به ماده تحمیل کند؛ کافی است اجزای آن به شیوه‌ای مهندسی شوند که ارتعاشات بتوانند خودشان به سمت نظم حرکت کنند.
بااین‌حال، پژوهشگران دریافتند که این فرایند همیشه به یک نتیجه ختم نمی‌شود.در مدل ریاضی آن‌ها، افزودن اصطکاک بر نوع موج‌هایی که امکان رشد داشتند تأثیر گذاشت. در این وضعیت، موج‌های بسیار بلند سرکوب شدند و ارتعاشات نتوانستند پیوسته به الگوهایی بزرگ‌تر تبدیل شوند.
در عوض، سامانه می‌توانست به نوع دیگری از نظم برسد؛ حالتی که در آن موج‌های پایدار در یک جهت و در امتداد لبه ساختار حرکت می‌کنند.
این نتیجه نشان می‌دهد که فیزیک زیربنایی یک سامانه، بسته به شرایط، می‌تواند به شکل‌های متفاوتی از حرکت سازمان‌یافته منجر شود. شناخت و کنترل این شرایط ممکن است در آینده به پژوهشگران کمک کند تا حرکت ارتعاشات را در مواد مهندسی‌شده بهتر هدایت کنند.
از آکوستیک تا رباتیک نرم
این کشف می‌تواند در حوزه‌هایی مانند آکوستیک، رباتیک نرم و طراحی مواد فعال اهمیت پیدا کند. بااین‌حال، کاربردهای عملی آن هنوز به پژوهش‌های بیشتری نیاز دارد و نباید نتایج آزمایشگاهی را به‌منزله دستیابی فوری به فناوری‌های کاربردی دانست.
اهمیت اصلی این مطالعه در رویکرد آن به مسئله نظم زمانی است: به‌جای کنترل مستقیم و مداوم ارتعاشات، پژوهشگران شرایطی را طراحی کردند که در آن اجزای ماده بتوانند به‌صورت خودسازمان‌یافته به هماهنگی برسند.
این رویکرد ممکن است راهی تازه برای دستیابی به نظم زمانی بادوام‌تر فراهم کند؛ مسئله‌ای که از چالش‌های مهم در مطالعه بلورهای زمانی به شمار می‌رود.
پژوهشگران در مقاله خود می‌نویسند که انتظار دارند درشت‌شدن موج، مسیری قابل‌توجه برای شکل‌گیری بلورهای زمانی در سامانه‌هایی با تقارن‌های بیشتر و مدهای گلدستون مرتبط فراهم کند. به باور آن‌ها، این سازوکار ممکن است در آینده به‌عنوان راهبردی برای کنترل تغییر شکل و حرکت جهت‌دار در حوزه‌هایی مانند رباتیک، ماده فعال و اپتومکانیک به کار گرفته شود.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature منتشر شده است.
مترجم:امیر بابایی