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首次制造出可以看见的时间晶体

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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

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