גבישי זמן, אוסף של חלקיקים ש"מתקתקים" – או נעים הלוך ושוב במחזוריות – עוצבו לראשונה בתאוריה ולאחר מכן התגלו לפני כעשור. תחילה הוצע מושג זה בשנת 2012 על ידי הפיזיקאי האמריקני פרופ' פרנק וילצ'ק (חתן פרס נובל לפיזיקה לשנת 2004), ונצפה לראשונה בשנת 2016. בעוד שמדענים טרם יצרו יישומים מסחריים או תעשייתיים לצורת חומר מסקרנת זו, גבישים אלה טומנים בחובם פוטנציאל גדול לקידום מחשוב קוונטי ואחסון נתונים, בין היתר.
4 צפייה בגלריה
סוג חדש של גביש זמן – גביש שחלקיקיו מרחפים באמצעות גלי קול, תוך כדי אינטראקציה זה עם זה. בתמונה ניתן להבחין בכדורית בצבע סגול, שמרחפת באוויר הודות לגלי קול הבוקעים מרמקולים המסודרים במבנה התורם לכך
(צילום: NYU's Center for Soft Matter Research)
במהלך השנים נצפו או נוצרו סוגים שונים של גבישי זמן, כאשר תכונותיהם המגוונות מציעות מגוון שימושים פוטנציאליים. צוות פיזיקאים מאוניברסיטת ניו יורק צפה כעת בסוג חדש של גביש זמן – גביש שחלקיקיו מרחפים באמצעות גלי קול, תוך כדי אינטראקציה זה עם זה באמצעות גלי קול מפוזרים ולא באמצעות כוחות ישירים ומאוזנים.
בתהליך, חלקיקים אלה סותרים את חוק התנועה השלישי של ניוטון, הקובע כי עבור כל פעולה של עצם, יש תגובה שווה והפוכה – כלומר, כוחות תמיד מתרחשים בזוגות מאוזנים (כלומר, שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם). לעומת זאת, בתגלית של אוניברסיטת ניו יורק, החלקיקים מקיימים אינטראקציה באופן עצמאי יותר ואינם בהכרח קשורים לכוחות מאוזנים – הם נעים באופן לא הדדי.
ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת Physical Review Letters, ומרחיבים את הסיכויים הטמונים בגבישים אלה עבור הטכנולוגיה והתעשייה. ראוי לציין שגבישי הזמן הללו, שניתן לראותם בעין אנושית ללא כל אמצעי מתווך, תלויים על מכשיר בגובה של כ-30 סנטימטרים שניתן להחזיק ביד. "גבישי זמן מרתקים לא רק בגלל האפשרויות, אלא גם מכיוון שהם נראים כל כך אקזוטיים ומסובכים", אמר הפיזיקאי ד"ר דיוויד גריר, מנהל המרכז לחקר חומרים רכים באוניברסיטת ניו יורק ומי שהוביל את צוות המחקר. "המערכת שלנו יוצאת דופן משום שהיא פשוטה להפליא".
4 צפייה בגלריה
סדרת תמונות המציגות את הדפוס החוזר של גביש הזמן
(צילום: NYU's Center for Soft Matter Research)
המחקר, שנערך יחד עם מיה מורל (סטודנטית לתואר שני באוניברסיטת ניו יורק) ולילה אליוט (סטודנטית לתואר ראשון באוניברסיטת ניו יורק), מספק תובנות לגבי השעונים הביולוגיים שלנו - או המקצבים הצירקדיים, אותם שעונים פנימיים הפועלים במחזוריות של כ-24 שעות, ומשפיעים על תפקודים פיזיולוגיים והתנהגותיים כמו שינה, ערות, הפרשת הורמונים, טמפרטורת גוף וחילוף חומרים. הסיבה לכך היא, שכמו גבישי הזמן שהתגלו לאחרונה, גם רשתות ביוכימיות מסוימות מקיימות אינטראקציה באופן לא הדדי - כולל האופן שבו גופנו פועל לפירוק מזון.
גביש הזמן שהתגלה מורכב מכדוריות קלקר - בדומה לאלה המשמשות לאריזה. "הגבישים הוחזקו באוויר ללא תנועה על ידי גלי הקול", הסבירה מורל. "גלי קול מפעילים כוחות על חלקיקים – בדיוק כמו שגלים על פני בריכה יכולים להפעיל כוחות על עלה צף. על כן, יש ביכולתנו לגרום לעצמים לרחף כנגד כוח הכבידה על ידי אינטראקציה בינם לבין שדה קול הנקרא גל עומד (מושג פיזיקלי המתאר גל שאינו מתקדם במרחב)".
כדוריות פוליסטירן זעירות, בקוטר של מילימטר או שניים בלבד, הם כלים מצוינים לחקר האופן שבו עצמים מקיימים אינטראקציה עקיפה באמצעות גלי קול. הן קלות מאוד, מה שאומר שניתן לגרום להן לרחף באמצעות גלי קול, אך יש להן מספיק שלמות מבנית כדי להישאר נוקשות תחת כוחות אקוסטיים. יש להן גם שינויים קלים בגודל ובצורה, דבר חיוני לחקר אינטראקציות שאינן הדדיות.
כאשר חלקיקים מרחפים אלה ביצעו אינטראקציה זה עם זה, הם עשו זאת על ידי חילופי גלי קול מפוזרים. באופן ספציפי יותר, חלקיקים גדולים יותר מפזרים יותר צליל מחלקיקים קטנים יותר. לכן, חלקיק גדול ישפיע על חלקיק קטן יותר מאשר השפעת חלקיק קטן על חלקיק גדול. כתוצאה מכך, האינטראקציה בין חלקיק קטן לחלקיק גדול אינה מאוזנת. "ניתן לדמות זאת לשתי מעבורות בגדלים שונים המתקרבות לרציף", הסבירה מורל. "כל אחת מהן יוצרת גלי מים שדוחפים אלה את אלה – אבל בדרגות שונות, בהתאם לגודלן של המעבורות".
