首次制造出可以看见的时间晶体

时间晶体是一种特殊的物质形态，它会随着时间展现出连续、重复的模式，就像普通晶体中的原子在空间中重复排列一样。

在一项新发表于《自然·材料》的研究中，一个物理学家团队使用常见的液晶材料，制造了一种新的时间晶体。虽然这并非科学家首次制造出时间晶体，但这是人类第一次能够真正看见的时间晶体，为未来的技术应用打开了大门。

从空间晶体到时间晶体

2012年，诺贝尔奖得主维尔切克（Frank Wilczek）首次提出时间晶体的设想。传统晶体可以看作“空间晶体”，比如金刚石中的碳原子，会在空间中形成坚固的晶格结构。维尔切克则设想，是否可能在时间维度形成类似的有序结构？

时间晶体的重复有点像地球的四季，一年一次，像时钟一样精准。

维尔切克设想的版本几乎类似于“永动机”：即便原子处于自然静止状态下，它们仍能不断运动或转变，像一段永不停止循环播放的动画。但不久之后，科学家通过数学证明这一设想是不可实现的。不过，科学家们很快发现，其他形式的时间晶体是可能存在的。比如，在一些始终处于动态而非静止的奇特系统中，就能出现有序的时间晶体。

此后，科学家们用多种方式制造过时间晶体，比如利用金刚石中的纳米缺陷、俘陷离子系统。2021年，甚至有物理学家利用谷歌的Sycamore量子计算机，通过激光操纵原子网络让它们产生周期性重复的波动，创造出了非常接近时间晶体的物质相。

然而，这些现象只存在于复杂的量子物质系统中，局限于微观尺度。

光照下诞生的“晶体”

在新的研究中，研究人员找到了可以制造出能直接在显微镜下，甚至在某些特殊条件下“肉眼可见”的时间晶体的方法：他们尝试用液晶来实现类似的奇迹。液晶由细长的棒状分子组成，它们既像固体，又像液体。由于液晶分子之间的作用力，会使这些棒状分子通常保持同一方向。

在实验中，他们将一层液晶膜夹在两块涂有光敏染料分子的玻璃板之间。起初，液晶样品几乎保持静止。但当用光在特定条件下照射玻璃板上的光敏染料分子时，这些染料分子的取向会发生改变，进而挤压液晶分子。

计算机模拟展示了时间晶体的内部机制：一束光（蓝色箭头）使染料分子（红色棒状）改变取向，从而驱动下方液晶的运动。（图/Smalyukh Lab）

一旦有些液晶分子发生“扭曲”，就会引发连锁反应，瞬间产生了成千上万个新的“扭折”（扭曲结构）。研究人员发现，这些扭折随后进入复杂的相互作用过程，它们会开始旋转、流动和重新排列，并呈现出随时间周期性重复的运动模式。

时空晶体的“舞蹈”

这些扭折无法被轻易移除，它们可以移动，甚至在某些条件下会像粒子一样发生相互作用，并产生可见的波纹。为了进一步观察，研究人员使用只透射偏振光的显微镜对这些分子进行了观测。他们发现，这些液晶分子的排列方向决定了光的通过量，从而将这些波纹呈现为明暗相间的条纹。

时间晶体运动过程视频。（图/Smalyukh Lab）

而且更令人惊讶的是，即便改变液晶的温度或光的强度，它依然能维持其独特的节奏数小时——就像一只永不停歇的时钟。而通过调节装置，实验还可以生成厘米级的图样，因此尽管分辨率和对比度低于显微镜成像，但这种效应即便用肉眼也能直接观测到。

研究人员指出，由于其图样在空间和时间上同时变化，因此从严格意义上说，它应被称为“时空晶体”。不过，它无疑符合时间晶体的定义，同时也引发了一个问题：是否还有其他周期性现象也能纳入这一范畴？

应用前景

研究人员强调，这类时间晶体并不仅仅是科学上的好奇，还具有多种潜在用途。比如，这种晶体层可以被嵌入钞票作为防伪元素——只需用光照射，就能显现独特的“时间水印”，从而验证钞票真伪。通过堆叠不同图样的时间晶体，还能生成更复杂的图案，比如动态二维码，未来或许可用于大容量数字数据存储。

不过，研究人员表示，他们不想过早地为它的用途设限，并认为这项技术有机会在许多领域发挥作用。

#参考来源：

https://www.colorado.edu/today/2025/09/05/physicists-have-created-new-time-crystal-it-wont-power-time-machine-could-have-many

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02344-1

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02939-3

#图片来源：

封面图&首图：Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials