時間晶體，一種曾被認為在物理上不可能存在的物質狀態，或許很快就會出現在紙幣上。
在顯微鏡下看到的時間晶體。圖片來源：《自然-材料》
時間晶體是一種在時間維度上呈現持續重復模式的物質形態，這與普通晶體中原子在空間維度上的重復排列非常相似。此前，時間晶體的實例僅存在于復雜的量子物質中，但如今物理學家已找到一種方法，能制造出在特定條件下可用肉眼觀察到的時間晶體。
該成果由美國科羅拉多大學博爾德分校的物理學家完成，并于9月4日發表于《自然-材料》。研究涉及到液晶—— 一種分子呈棒狀、兼具液體與固體特性的物質。研究人員只需將光照射在液晶上，就能在其上面產生扭曲分子的漣漪。即使研究人員改變了條件，漣漪也會以獨特的節奏持續移動數小時。且這種節奏與任何外部輸入的作用力不同步——這滿足了時間晶體的兩項核心定義標準。
韓國浦項科技大學的材料科學家Young-Ki Kim表示，盡管液晶的部分此類特性早已為人所知，但此前從未有人考慮過能否利用這些特性制造時間晶體。他指出，這種時間晶體達到了毫米至厘米級的宏觀尺度，這為“更深入理解”該現象創造了機會。研究作者稱，晶體中獨特的圖案還使其有望應用于防偽裝置。
2012年，諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek首次提出時間晶體的概念。Wilczek所構想的時間晶體如同永動機—— 一種在自然靜止狀態下能無限循環的物質。后來有團隊發表論文，通過數學方法證明這一概念是不可能實現的，但研究人員很快發現，其他類型的時間晶體是可能存在的。例如，有序時間晶體可存在于持續變化而非靜止的特殊系統中。
此后，科學家通過多種方式制造出時間晶體，包括利用鉆石中相互作用的納米級缺陷，以及在谷歌的Sycamore量子計算機上進行模擬。但大多數實例都處于微觀尺度。
最新實驗系統是將光照射在兩片玻璃板之間的液晶膜上，即便是普通燈泡發出的光也可行。當光線照射到玻璃板上的光敏染料分子時，這些分子會改變方向，進而觸發液晶中的分子開始扭曲。
液晶的棒狀分子之間存在分子間作用力，這使得它們通常會指向同一方向。若部分分子開始扭曲，就會引發多米諾效應：分子通過復雜的相互作用重新取向，這種作用會像人浪一樣在樣本中傳播。
在這些分子的“海洋”中，會形成具有粒子特性的穩定扭曲結構。這些粒子相互作用，形成了可觀察到的波紋。該研究負責人、科羅拉多大學博爾德分校的物理學家Ivan Smalyukh表示：“看到軟物質系統中能輕易觀察到這種時間晶體有序性，我們既驚訝又興奮?！?span style="display:none">H7w速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
為了詳細觀察分子的“舞動”，研究人員使用了一種僅能傳輸偏振光的顯微鏡來觀察時間晶體系統。透過的光量取決于分子的排列方向，這使得時間晶體的波紋以一系列明暗條紋的形式顯現出來。
即便研究人員改變溫度和光強，這種時間晶體仍能維持其獨特的節奏數小時。Smalyukh 表示，由于實驗裝置可調整以產生厘米級圖案，因此該效應可用肉眼觀察到，盡管其對比度和分辨率低于顯微鏡下的效果。
研究作者稱，由于這種圖案在空間和時間維度上均會發生變化，從技術層面而言，該系統屬于時空晶體。Smalyukh補充道，它毫無疑問符合時間晶體的定義，但這也引發了一個問題：其他周期性效應是否也符合這一定義。
研究作者表示，這些時間晶體并非只是新奇之物。這種晶體薄層可嵌入紙幣中，用于驗證真偽。他們稱，光線穿過多組不同的有獨特特征圖案的晶體后，不僅會產生單一方向的波紋，還會形成動態的二維條形碼。這種條形碼極難偽造，同時也可用于存儲信息。
Smalyukh在一份聲明中表示：“目前我們不想限制其應用場景。我認為，有機會將這項技術推向各個方向。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1
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