科罗拉多大学博尔德分校的物理学家利用液晶制造出了人类肉眼可见的首个时间晶体，这种液晶在光照下会旋转形成永无止境的图案。这一突破建立在诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克2012年的时间晶体理论基础之上——这是一种以重复循环方式永远运动的结构，如同永动机或循环播放的GIF动图。在显微镜下，这些晶体形成了无休止舞动的多彩条纹图案，为从货币防伪特征到未来数字信息存储方法等各个领域开启了可能性。
在一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的物理学家利用液晶——即手机显示屏中使用的同一种材料——制造了这样一个时钟，或者至少是人类目前能最接近这一概念的东西。该团队的进展是“时间晶体”的一个新实例。这是一类奇特物质相的名称，其中的组成部分（如原子或其他粒子）处于恒定的运动状态。
研究人员并非首个制造出时间晶体的团队，但他们的成果是人类首个能够亲眼看到的，这可能开启一系列技术应用的大门。
“它们可以直接在显微镜下观察到，甚至在特殊条件下，用肉眼也能看到，”该研究的第一作者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生赵汉清说道。
他与物理学教授、可再生能源与可持续性研究所（RASEI）研究员伊万·斯马柳克于9月4日在《自然·材料》期刊上发表了他们的研究成果。
在这项研究中，研究人员设计了填充液晶的玻璃盒——这里的液晶是棒状分子，其性质介于固体和液体之间。在特定条件下，如果用光照射它们，液晶就会开始旋转和移动，呈现出随时间重复的模式。
在显微镜下，这些液晶样本看起来像迷幻的老虎条纹，并且可以持续运动数小时——就像那个永恒旋转的时钟一样。
“万物生于无，”斯马柳克说，“你只需要照一束光，这整个时间晶体的世界就会显现出来。”
赵汉清和斯马柳克都是国际结手性元物质可持续性研究所（WPI-SKCM2）科罗拉多分中心的成员，该研究所总部位于日本广岛大学，是一所旨在创造人造物质形态并为可持续发展做出贡献的国际研究机构。
空间与时间中的晶体
时间晶体听起来可能像是科幻小说中的事物，但其灵感来源于天然晶体，如钻石或食盐。
诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克于2012年首次提出了时间晶体的概念。你可以将传统晶体视为“空间晶体”。例如，构成钻石的碳原子在空间中形成晶格结构，这种结构很难被打破。维尔切克想知道，是否可能构建一种组织结构同样有序的晶体，只是这种有序存在于时间而非空间之中。即使处于静止状态，这种状态下的原子也不会形成晶格结构，而是以永无止境的循环进行运动或转变——就像一张永远循环播放的GIF动图。
维尔切克的原始概念被证明无法实现，但在随后的几年里，科学家们已经创造出相当接近这一概念的物质相。
例如，在2021年，物理学家利用谷歌的“悬铃木”量子计算机创建了一个特殊的原子网络。当研究团队用激光束轻拨这些原子时，它们产生了重复多次的波动。
舞动的晶体
在这项新研究中，赵汉清和斯马柳克着手探索能否利用液晶实现类似的成果。
斯马柳克解释说，如果以正确的方式挤压这些分子，它们会紧密聚集，从而形成扭结。值得注意的是，这些扭结会四处移动，甚至在特定条件下表现得像原子一样。
“这些扭结一旦形成，就很难被消除，”斯马柳克说，“它们的行为像粒子一样，并开始相互作用。”
在当前的研究中，斯马柳克和赵汉清将液晶溶液夹在两块涂有染料分子的玻璃之间。在自然状态下，这些样本大多静止不动。但当研究团队用特定种类的光照射它们时，染料分子改变了取向并挤压液晶。在此过程中，成千上万个新扭结突然形成。
这些扭结也开始遵循一系列极其复杂的步骤相互作用。想象一下简·奥斯汀小说中满是舞者的房间：舞伴分开，在房间里旋转，重新聚在一起，然后再从头开始。这种时间模式也异常稳固——研究人员可以升高或降低样品的温度，而不会干扰液晶的运动。
“这就是这种时间晶体的美妙之处，”斯马柳克说，“你只需创造一些并不那么特殊的条件。照一束光，一切就发生了。”
赵汉清和斯马柳克表示，这种时间晶体可能有多种用途。例如，政府可以将这些材料加入钞票中以增加防伪难度——如果你想辨别那张100美元钞票的真伪，只需用光照射“时间水印”并观察出现的图案即可。通过堆叠几种不同的时间晶体，研究团队可以创造出更复杂的图案，这可能使工程师能够存储海量的数字数据。
“我们目前不想对应用设限，”斯马柳克说，“我认为有机会在各个方向上推动这项技术的发展。”