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在顯微鏡下看到的時(shí)間晶體。圖片來(lái)源：《自然-材料》

時(shí)間晶體，一種曾被認(rèn)為在物理上不可能存在的物質(zhì)狀態(tài)，或許很快就會(huì)出現(xiàn)在紙幣上。

時(shí)間晶體是一種在時(shí)間維度上持續(xù)重復(fù)出現(xiàn)的物質(zhì)形態(tài)，就像普通晶體中的原子在空間重復(fù)排列一樣。此前，時(shí)間晶體僅存在于復(fù)雜的量子物質(zhì)中，但物理學(xué)家找到了一種方法，能夠在特定條件下制造出一種可用肉眼看到的時(shí)間晶體。

這項(xiàng)成果9月4日發(fā)表于《自然-材料》。該研究涉及兼具液體與固體特性的“液晶”棒狀分子。研究人員只需將光照射在液晶上，就能在其表面產(chǎn)生扭曲分子的漣漪。即使改變了外部條件，漣漪也會(huì)以不同的節(jié)奏持續(xù)移動(dòng)數(shù)小時(shí)。且這種節(jié)奏與任何外部輸入的作用力不同步，滿足了時(shí)間晶體的兩項(xiàng)核心定義標(biāo)準(zhǔn)。

韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的材料科學(xué)家Young-Ki Kim表示，盡管液晶的一些特性已為人所知，但此前從未有人考慮過(guò)能否用它制造時(shí)間晶體。Kim指出，這種時(shí)間晶體達(dá)到了毫米至厘米級(jí)的宏觀尺度，為“更深入理解”該現(xiàn)象創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。作者稱，晶體中獨(dú)特的圖案使其有望用于防偽裝置。

2012年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek首次提出時(shí)間晶體的概念。Wilczek構(gòu)想的時(shí)間晶體如同一臺(tái)永動(dòng)機(jī)—— 一種能在自然靜止?fàn)顟B(tài)下無(wú)限循環(huán)的物質(zhì)。后來(lái)有團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，通過(guò)數(shù)學(xué)方法證明這一概念是不可能實(shí)現(xiàn)的，但研究人員很快發(fā)現(xiàn)，其他類型的時(shí)間晶體是可能存在的。例如，有序時(shí)間晶體可存在于持續(xù)變化而非靜止的特殊系統(tǒng)中。

此后，科學(xué)家通過(guò)多種方式制造出時(shí)間晶體，包括利用鉆石中相互作用的納米級(jí)缺陷，以及在谷歌的Sycamore量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。但大多數(shù)實(shí)例都處于微觀尺度。

最新實(shí)驗(yàn)將光照射在兩片玻璃板之間的液晶膜上，即便普通燈泡發(fā)出的光也行。當(dāng)光線照射到玻璃板上的光敏染料分子時(shí)，這些分子會(huì)改變方向，觸發(fā)液晶中的分子扭曲。

液晶棒狀分子之間存在分子間作用力，使其通常指向同一方向。若一部分分子開(kāi)始扭曲，就會(huì)引發(fā)多米諾效應(yīng)：分子通過(guò)復(fù)雜的相互作用重新定位。

在這些分子湯中，形成了具有粒子特性的穩(wěn)定扭曲結(jié)構(gòu)。這些粒子相互作用，形成了可觀察到的波紋。該研究負(fù)責(zé)人、美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的物理學(xué)家Ivan Smalyukh表示：“能在軟物質(zhì)系統(tǒng)中輕易觀察到這種時(shí)間晶體有序性，我們既驚訝又興奮。”

為詳細(xì)觀察分子的“舞動(dòng)”，研究人員用一種僅能透射偏振光的顯微鏡觀察了時(shí)間晶體。透過(guò)的光量取決于分子的排列方向，這使得時(shí)間晶體呈現(xiàn)出一系列明暗條紋。

即便研究人員改變溫度和光強(qiáng)，這種時(shí)間晶體仍能維持其獨(dú)特節(jié)奏達(dá)數(shù)小時(shí)。Smalyukh表示，由于實(shí)驗(yàn)裝置可調(diào)整成厘米級(jí)圖案，因此該效應(yīng)可用肉眼觀察到，盡管其對(duì)比度和分辨率低于顯微鏡下的效果。

作者稱，由于這種圖案在空間和時(shí)間維度上均會(huì)發(fā)生變化，從技術(shù)上講，該系統(tǒng)屬于時(shí)空晶體。Smalyukh補(bǔ)充道，它毫無(wú)疑問(wèn)符合時(shí)間晶體的定義，但這也引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：其他周期性效應(yīng)是否也符合這一定義。

研究人員表示，這些時(shí)間晶體并非只是新奇之物。這種晶體薄層可嵌入紙幣中，用于驗(yàn)證真?zhèn)巍Ｋ麄兎Q，光線穿過(guò)多組有不同特征圖案的晶體后，不僅會(huì)產(chǎn)生單一方向的波紋，還會(huì)形成動(dòng)態(tài)的二維條形碼。這種條形碼極難偽造，同時(shí)也可用于存儲(chǔ)信息。

Smalyukh在一份聲明中表示：“目前我們不想限制其應(yīng)用場(chǎng)景。我認(rèn)為，有機(jī)會(huì)將這項(xiàng)技術(shù)推向各個(gè)方向。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1