גביש זמן-חלל דיסקרטי עולה של קוואזי-חלקיקים בדמוי מידרנה במרחבים נוזליים כיראליים

דפוסים שמתקתקים כמו שעון

גבישים נתפסים בדרך כלל כדפוסים חוזרים במרחב, כמו אטומים ביהלום. בעבודה זו חוקרים חקרו רעיון מוזר יותר: חומרים שמפתחים דפוסים חוזרים גם בזמן, שמתקתקים בקצב עצמאי אף כשהם מוערים על ידי אות חיצוני סדיר. הם מראים שחומר נפוץ בתצורות תצוגה, נוזלים גבישיים, יכול ליצור "גבישי זמן" כאלה במערכת מעבדה שגרתית, ומשקפים דרך חדשה שבה חומר יכול להתארגן הן במרחב והן בזמן.

נוזלים גבישיים יומיומיים בהנעה לא שגרתית

נוזלים גבישיים כבר מייצרים את רוב המסכים שטוחים, שבהם שדות חשמליים מסיטים בעדינות את המולקולות הצורתיות שלהם. כאן החוקרים משתמשים בנוזל גבישי כיראלי (מפושל), מזורז במולקולות טעונות, ומגבילים אותו בין שתי שכבות זכוכית המשמשות כאלקטרודות שקופות. במקום מתח קבוע או משתנה בצורה חלקה, הם מטמיעים אות חשמלי בצורת מסור חוזר, המכונה הנהגת פלוקט. מתחת למיקרוסקופ, הדגם אינו פשוט מתחיל להכהות ולהבהיר. במקום זאת, הוא מארגן באופן ספונטני דפוסי פסים או רשתות צבעוניות שחוזרים באופן סדיר במרחב בעוד שהמראה שלהם משתנה בקצב ריתמי לאורך הזמן.

מערכת שקופצת על כל פעימה שנייה

על ידי הקלטת סרטונים של האור המועבר וניתוח הצבעים פיקסל אחר פיקסל, הצוות גילה שהנוזל הגביש מתייצב לסוג חדש של סדר. למתח המניע יש מחזור בסיסי אחד, אבל הדפוס הנראה חוזר למדינה זהה רק אחרי שני מחזורים של ההנעה. "הכפלת המחזור" הזו משמעותה שהחומר שבר את החזרת הזמן הפשוטה של אות ההנעה ויצר שעון פנימי איטי יותר משלו. באותו זמן, אזורים מוארים סמוכים במרחב נוטים לנוע ולהשתנות באופן מנוגד זה לזה, ויוצרים אלטרנטציה דמוית אנטי-פרומגנטיות הן ברחבי המדגם והן ממחזור למחזור. התנהגויות אלה מזכות את המערכת בתואר גביש זמן-חלל דיסקרטי: מסודרת במרחב ובזמן, אך לא פשוטה בצייתנותה לקצב החיצוני.

פגמים זעירים שמתנהגים כחלקיקים

כדי להבין מה נע ומשתנה בתוך הנוזל הגבישי, המחברים משלבים ניסויים עם סימולציות מחשב מפורטות. החומר המפותל מארח באופן טבעי קירות צרים ופגמים קו־דמיים שבהם הכיוון המקומי של המולקולות אינו מוגדר או מעוות בחוזקה. במצב גביש הזמן, פגמים אלה מופיעים בשרשראות חוזרות, וצורתם וחיבוריהם משתנים באופן חלק כאשר המתח עולה ממינוס לפלוס וחוזר. זוגות של פגמים כאלה, המחוברים על ידי קירות מתחם, מתנהגים כמו חלקיק-אנטי־חלקיק: הם יכולים לעבור טרנספורמציות רציפות זה לזה, להימחק ואז להופיע מחדש חצי מחזור מאוחר יותר בהזזה של חצי מרווח רשת. מאחר שפרופילי הפגמים האלה פועלים לפי חוקים מתמטיים הדומים לאלה של חלקיקי מידרנה החמקמקים בפיזיקה הקוונטית, המחברים מתארים אותם כקוואזי-חלקיקים בדמוי מידרנה בנוזל גבישי קלאסי.

תקתוק עמיד והתנהגות פאזה עשירה

דפוסי גביש הזמן אינם מחייבים כוונון מדויק. החוקרים מאפיינים כיצד הם מופיעים ונעלמים כשמשנים טמפרטורה, עוצמת דופקי המתח, תקופת ההנעה, עובי התא והסיבוב הפנימי של הנוזל הגבישי. הם מוצאים אזורים רחבים שבהם גבישי זמן חד־ממדיים דמויי פסים וגבישי זמן דו־ממדיים דמויי רשת יציבים, נפרדים מפאזות רגילות ומהפרעות. לאחר שנוצרו, דפוסים אלה יכולים להישאר מקומית למשך שעות ועל פני עשרות או מאות אלפי מחזורי הנעה, לשרוד תנודות מקריות בתזמון הדופקים ואף להתאושש אחרי כניסת פגמים שהוכנסו בעזרת קרני לייזר ממוקדות. במדגמים עבים יותר עם סיבוב חזק יותר, הצוות גם תצפת דפוסים קו־רובעים כמעט־הקסגונליים שהקצב הפנימי שלהם אינו תואם את ההנעה באמצעות גורם שלם פשוט, מה שמעיד על גבישי זמן "שבריריים" יותר ויותר יוצאי דופן.

מדוע סוג סדר חדש זה חשוב

המחקר מראה שהתנהגות גביש הזמן אינה מוגבלת למכשירים קוונטיים עדינים, אלא יכולה לצוץ גם בחומרים קלאסיים רכים המוכרים מטכנולוגיה יומיומית. בנוזלים גבישיים אלה, מבני פגם ממוקדים פועלים כחסויות־בנייה שמסדרות את עצמן לדפוסים מסודרים שחוזרים גם במרחב וגם בזמן. מאחר שמבנים כאלה ניתנים לקונפיגורציה ועמידים, הם עשויים להוות בסיס לאלמנטים אופטיים חדשים שמכוונים או מווסתים אור בקצבים ניתנים לתכנות. באופן רחב יותר, התוצאות תומכות ברעיון ששבירת סימטריה של מרחב וזמן בו־זמנית היא אפשרות שכיחה במערכות מונעות ופתוחות, ומרחיבות את התמונה שלנו לגבי האופן שבו חומר יכול לארגן את עצמו כאשר הוא נדחק הרחק משווי משקל.

ציטוט: 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

מילות מפתח: גבישי זמן, נוזלים גבישיים, פגמים טופולוגיים, הנעת פלוקט, קוואזי-חלקיקים בדמוי מידרנה