بلورة الزمكان المتقطعة الناشئة لجسيمات شبيهة بمايورانا في البلورات السائلة الحلزونية

أنماط تدق مثل الساعة

عادة ما تُفهم البلورات على أنها أنماط متكررة في المكان، مثل ذرات الألماس. في هذا العمل، يستكشف العلماء فكرة أغرب: مواد تطور أيضاً أنماطاً متكررة في الزمن، تدق بإيقاعها الخاص حتى عندما تُدفع بإشارة خارجية منتظمة. يبيّنون أن مادة عرض شائعة، البلورات السائلة، يمكن أن تشكل مثل هذه "بلورات الزمن" في تجربة مخبرية عادية، كاشفين عن طريقة جديدة لتنظيم المادة في المكان والزمن معاً.

بلورات سائلة يومية تحت تحفيز غير اعتيادي

تُشغّل البلورات السائلة بالفعل معظم شاشات اللوحات المسطحة، حيث تعيد الحقول الكهربائية توجيه جزيئاتها الشبيهة بالعصا بلطف. هنا، يستخدم الباحثون بلورة سائلة حلزونية (مُلتفة)، مُضافة إليها جزيئات مشحونة، ومحبوسة بين لوحين زجاجيين يعملان كأقطاب شفافة. بدلًا من جهد ثابت أو متغير بسلاسة، يطبقون إشارة كهربائية متكررة على شكل منظَر منشاري، تُعرف بتحفيز فلواكيت. تحت المجهر، لا يقتصر سلوك العينة على اللمعان والخفوت البسيط. بل تطور عشوائياً أنماطاً مخططة أو شبيهة بالشبكة من الألوان تتكرر بانتظام في المكان بينما يتغير مظهرها بإيقاع منتظم عبر الزمن.

نظام يتخطى كل نبضة ثانية

من خلال تسجيل أفلام للضوء المار وتحليل الألوان بكسلًا بكسل، يكتشف الفريق أن البلورة السائلة تستقر في نوع جديد من النظام المرتب. لجهد التحفيز فترة أساسية واحدة، لكن النمط المرئي يعود إلى نفس الحالة تمامًا فقط بعد فترتين من التحفيز. هذا "مضاعفة الفترة" يعني أن المادة كسرت التكرار الزمني البسيط لإشارة الإجبار وخلقت ساعتها البطيئة الخاصة. في الوقت نفسه، تميل المناطق المضيئة المجاورة في الفضاء إلى التحرك والتغير بطرق متعاكسة، مكونة تناوبًا شبيهاً بمادة مضادة للمغناطيسية عبر العينة ومن دورة إلى أخرى. تؤهل هذه السلوكيات النظام ليكون بلورة زمكانية متقطعة: مرتبة في المكان والزمن، لكنها ليست مجرد تابع أعمى للإيقاع الخارجي.

عيوب صغيرة تتصرف كجسيمات

لفهم ما يتحرك ويتغير داخل البلورة السائلة، يجمع المؤلفون بين التجارب والمحاكاة الحاسوبية التفصيلية. تستضيف المادة الملتفة بطبيعتها جدرانًا ضيقة وعيوبًا شبيهة بالخط حيث يكون اتجاه الجزيئات المحلي غير معرف أو مشوَّه بشدة. في حالة بلورة الزمن، تظهر هذه العيوب في سلاسل مكررة، وتتغير أشكالها وصلاتها بسلاسة مع تبدل الجهد من السالب إلى الموجب والعودة. أزواج من هذه العيوب، مقومة بجدران نطاقية، تتصرف كزوجين من الجسيمات والمعادلات لها: يمكن أن تتحول إحداهما إلى الأخرى بشكل متصل، وتفنيا ثم تعودان للظهور بعد نصف فترة متزحزحتين بمقدار نصف تباعد شبكي. ولأن ملفات تعريف هذه العيوب تتبع قواعد رياضية مشابهة لتلك الخاصة بالجسيمات النادرة المعروفة بمايورانا في فيزياء الكم، يصفها المؤلفون بأنها شبه-جسيمات شبيهة بمايورانا في بلورة سائلة كلاسيكية.

نبض ثابت وسلوك طوري غني

لا تتطلب أنماط بلورة الزمن ضبطًا دقيقًا. يرسم الباحثون خريطة كيفية ظهورها واختفائها بينما يغيرون الحرارة، وقوة نبضات الجهد، وفترة التحفيز، وسمك الخلية، والالتفاف الجوهري للبلورة السائلة. يجدون مناطق واسعة حيث تكون بلورات زمنية أحادية البعد شبيهة بالشرائط وبلورات زمنية ثنائية البعد شبيهة بالشبكات مستقرة، مفصولة عن الأطوار العادية والفوضوية. بمجرد تشكّلها، يمكن أن تستمر هذه الأنماط محليًا لساعات وعلى مدى عشرات أو مئات الآلاف من دورات التحفيز، متغلبة على التقلبات العشوائية في توقيت النبضات الكهربائية وحتى مستعيدة نفسها بعد إدخال عيوب باستخدام أشعة ليزر مركزة. في عينات أكثر سماكة ومع التواء أقوى، يلاحظ الفريق أيضًا أنماطًا شبيهة بالسداسية-القياسية لا تتطابق توقيتها الداخلي مع التحفيز بعامل صحيح بسيط، ملمّحة إلى وجود بلورات زمنية أكثر غرابة "كسورية".

لماذا يهم هذا النوع الجديد من النظام

تُظهر هذه الدراسة أن سلوك بلورات الزمن لا يقتصر على الأجهزة الكمومية الدقيقة، بل يمكن أن يظهر في المواد اللينة الكلاسيكية المألوفة من التكنولوجيا اليومية. في هذه البلورات السائلة، تعمل هياكل العيوب المحلية كلبنات بناء ترتب نفسها إلى أنماط مرتبة تتكرر في المكان والزمن معًا. وبما أن هذه الهياكل قابلة لإعادة التشكيل ومتينة، فقد تشكل أساس عناصر بصرية جديدة توجه أو تعدل الضوء بإيقاعات قابلة للبرمجة. أكثر عمومية، تدعم النتائج فكرة أن كسر التماثل في المكان والزمن معًا هو احتمال شائع في الأنظمة المدفوعة والمفتوحة، موسعةً صورتنا عن كيفية تنظيم المادة لنفسها عندما تُجبر بعيدًا عن التوازن.

الاستشهاد: Zhao, H., Zhang, R. & Smalyukh, I.I. Emergent discrete space-time crystal of Majorana-like quasiparticles in chiral liquid crystals. Nat Commun 17, 4376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70880-8

الكلمات المفتاحية: بلورات الزمن, بلورات سائلة, عيوب طوبولوجية, تحفيز فلواكيت, شبه-جسيمات شبيهة بمايورانا