גביש זמן

בפיזיקה של חומר מעובה, גביש זמן הוא כינוי למערכת או תת-מערכת שמצבי האנרגיה הנמוכים שלה מתפתחים מעת לעת באופן מחזורי. מושג זה הוצע על ידי פרנק וילצ'ק בשנת 2012 באופן תאורטי למבנה מחזורי במרחב הזמן כאנלוגיה לגבישים שהם מחזוריים במרחב הפיזי. מספר קבוצות שונות הדגימו חומר עם אבולוציה מחזורית יציבה במערכות מונעות מחזור. מבחינת שימוש מעשי, חוקרים מסוימים טוענים שגבישי זמן עשויים לשמש כזיכרון קוונטי.

קיומם של גבישים בטבע הוא ביטוי של שבירת סימטריה ספונטנית, המתרחשת כאשר המצב באנרגיה הנמוכה ביותר של מערכת פחות סימטרי מהמשוואות השולטות במערכת. במצב היסוד של הגביש, הסימטריה להזזה מרחבית רציפה נשברת ומוחלפת בסימטריה הבדידה המאפיינת את הגביש המחזורי. מכיוון שחוקי הפיזיקה הם סימטריים תחת הזזות רציפות בזמן והן במרחב, עלתה השאלה בשנת 2012 האם ניתן לשבור את הסימטריה באופן זמני, וכך ליצור "גביש זמן" אשר יהיה יציב בפני אפקטים של גדילת אנטרופיה.

אם נשברת סימטריה של הזזה מרחבית רציפה להזזה מרחבית בדידה (שעשויה להתממש במערכות מונעות מחזור), אז המערכת מכונה "גביש זמן דיסקרטי". גביש זמן נפרד לעולם אינו מגיע לשיווי משקל תרמי, מכיוון שהוא סוג (או שלב) של חומר שאינו בשיווי משקל. שבירת סימטריית הזמן יכולה להתרחש רק במערכות שאינן בשיווי משקל. גבישי זמן דיסקרטיים נצפו למעשה במעבדות הפיזיקה כבר בשנת 2016 (פורסם בשנת 2017). דוגמה אחת לגביש זמן, המדגים סימטריה של זמן לא שוויוני, היא טבעת שחגה ברציפות סביב ציר, של יונים טעונים, במצב אנרגיה הנמוך ביותר.

סימטריה של תרגום זמן 
סימטריות בטבע מובילות ישירות לחוקי שימור, ועיקרון זה מנוסח על ידי משפט נתר.

הרעיון הבסיסי של סימטריית הזזה בזמן הוא שלתרגום בזמן אין השפעה על חוקים פיזיקליים, כלומר שחוקי הטבע החלים היום היו זהים בעבר ויהיו זהים בעתיד. סימטריה זו מרמזת על שימור האנרגיה.

סימטריה שבורה בגבישים רגילים 

גבישים נפוצים מפגינים סימטריה של תרגום שבור: יש להם דפוסים שחוזרים על עצמם בחלל ואינם משתנים תחת תרגומים או סיבובים שרירותיים. חוקי הפיזיקה אינם משתנים על ידי תרגומים שרירותיים וסיבובים. עם זאת, אם אנו מחזיקים את האטומים של גביש מקובעים, הדינמיקה של אלקטרון או חלקיק אחר בגביש תלויים באופן בו הוא נע יחסית לגביש, ומומנט החלקיקים יכול להשתנות על ידי אינטראקציה עם האטומים של הגביש, למשל ב תהליכי אומקלאפ. לעומת זאת בגביש "מושלם" יש שימור של התנע הגבישי.

גבישי הזמן מראים סימטריה שבורה המקבילה לשבירת סימטריה דיסקרטית של תרגום מרחב. לדוגמה, המולקולות של נוזל הקופא על פני גביש יכולות להתיישר עם מולקולות הגביש, אך עם דפוס פחות סימטרי מהגביש: הוא שובר את הסימטריה הראשונית. הסימטריה השבורה הזו מציגה שלושה מאפיינים חשובים:
 למערכת סימטריה נמוכה יותר מהסידור הבסיסי של הגביש
 המערכת מציגה סדר מרחבי וטמפורלי לטווח ארוך (בניגוד לסדר מקומי וסירוגין בנוזל ליד פני השטח של גביש)
 היא תוצאה של יחסי גומלין בין מרכיבי המערכת, המתיישרים בינם לבין עצמם

תרמודינמיקה 
גבישי הזמן אינם מפרים את חוקי התרמודינמיקה: האנרגיה במערכת הכוללת נשמרת, גביש כזה אינו הופך ספונטנית אנרגיה תרמית לעבודה מכנית, והיא אינה יכולה לשמש מאגר עבודה תמידי. אך הוא עשוי להשתנות באופן תמידי בדפוס קבוע בזמן כל עוד ניתן לתחזק את המערכת. יש להם "תנועה ללא אנרגיה" - התנועה לכאורה שלהם אינה מייצגת אנרגיה קינטית קונבנציונלית.

הוכח כי גביש זמן אינו יכול להתקיים בשיווי משקל תרמי. עם זאת, יש לשים לב שחמני ציין כי בהוכחה זו יש שגיאה מתוחכמת אשר גורמת לה להיות לא חוקית. ניסויים אחרונה בחיפוש גבישי זמן נפרדים במצבי האיזון שלהם מונעים מעת לעת, הובילו לחקר התחלות של שלבים חדשים של חומר בחוסר שיווי משקל.

פרסומים

תקשורת

ספרים

מאמרים אקדמיים

קישורים חיצוניים 
 כריסטופר מונרו באוניברסיטת מרילנד
 פרנק וילצ'ק
 קבוצת לוקין באוניברסיטת הרווארד
 נורמן יאו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי
 Krzysztof Sacha באוניברסיטה היגלונית בקרקוב

הערות שוליים 

2012 במדע
מכניקת הקוונטים
פרדוקסים פיזיקליים
קריסטלוגרפיה
פיזיקה של חומר מעובה