首次制造出可以看見的時間晶體

時間晶體是一種特殊的物質形態，它會隨著時間展現出連續、重復的模式，就像普通晶體中的原子在空間中重復排列一樣。

在一項新發表于《自然·材料》的研究中，一個物理學家團隊使用常見的液晶材料，制造了一種新的時間晶體。雖然這并非科學家首次制造出時間晶體，但這是人類第一次能夠真正看見的時間晶體，為未來的技術應用打開了大門。

從空間晶體到時間晶體

2012年，諾貝爾獎得主維爾切克（Frank Wilczek）首次提出時間晶體的設想。傳統晶體可以看作“空間晶體”，比如金剛石中的碳原子，會在空間中形成堅固的晶格結構。維爾切克則設想，是否可能在時間維度形成類似的有序結構？

時間晶體的重復有點像地球的四季，一年一次，像時鐘一樣精準。

維爾切克設想的版本幾乎類似于“永動機”：即便原子處于自然靜止狀態下，它們仍能不斷運動或轉變，像一段永不停止循環播放的動畫。但不久之后，科學家通過數學證明這一設想是不可實現的。不過，科學家們很快發現，其他形式的時間晶體是可能存在的。比如，在一些始終處于動態而非靜止的奇特系統中，就能出現有序的時間晶體。

此后，科學家們用多種方式制造過時間晶體，比如利用金剛石中的納米缺陷、俘陷離子系統。2021年，甚至有物理學家利用谷歌的Sycamore量子計算機，通過激光操縱原子網絡讓它們產生周期性重復的波動，創造出了非常接近時間晶體的物質相。

然而，這些現象只存在于復雜的量子物質系統中，局限于微觀尺度。

光照下誕生的“晶體”

在新的研究中，研究人員找到了可以制造出能直接在顯微鏡下，甚至在某些特殊條件下“肉眼可見”的時間晶體的方法：他們嘗試用液晶來實現類似的奇跡。液晶由細長的棒狀分子組成，它們既像固體，又像液體。由于液晶分子之間的作用力，會使這些棒狀分子通常保持同一方向。

在實驗中，他們將一層液晶膜夾在兩塊涂有光敏染料分子的玻璃板之間。起初，液晶樣品幾乎保持靜止。但當用光在特定條件下照射玻璃板上的光敏染料分子時，這些染料分子的取向會發生改變，進而擠壓液晶分子。

計算機模擬展示了時間晶體的內部機制：一束光（藍色箭頭）使染料分子（紅色棒狀）改變取向，從而驅動下方液晶的運動。（圖/Smalyukh Lab）

一旦有些液晶分子發生“扭曲”，就會引發連鎖反應，瞬間產生了成千上萬個新的“扭折”（扭曲結構）。研究人員發現，這些扭折隨后進入復雜的相互作用過程，它們會開始旋轉、流動和重新排列，并呈現出隨時間周期性重復的運動模式。

時空晶體的“舞蹈”

這些扭折無法被輕易移除，它們可以移動，甚至在某些條件下會像粒子一樣發生相互作用，并產生可見的波紋。為了進一步觀察，研究人員使用只透射偏振光的顯微鏡對這些分子進行了觀測。他們發現，這些液晶分子的排列方向決定了光的通過量，從而將這些波紋呈現為明暗相間的條紋。

時間晶體運動過程視頻。（圖/Smalyukh Lab）

而且更令人驚訝的是，即便改變液晶的溫度或光的強度，它依然能維持其獨特的節奏數小時——就像一只永不停歇的時鐘。而通過調節裝置，實驗還可以生成厘米級的圖樣，因此盡管分辨率和對比度低于顯微鏡成像，但這種效應即便用肉眼也能直接觀測到。

研究人員指出，由于其圖樣在空間和時間上同時變化，因此從嚴格意義上說，它應被稱為“時空晶體”。不過，它無疑符合時間晶體的定義，同時也引發了一個問題：是否還有其他周期性現象也能納入這一范疇？

應用前景

研究人員強調，這類時間晶體并不僅僅是科學上的好奇，還具有多種潛在用途。比如，這種晶體層可以被嵌入鈔票作為防偽元素——只需用光照射，就能顯現獨特的“時間水印”，從而驗證鈔票真偽。通過堆疊不同圖樣的時間晶體，還能生成更復雜的圖案，比如動態二維碼，未來或許可用于大容量數字數據存儲。

不過，研究人員表示，他們不想過早地為它的用途設限，并認為這項技術有機會在許多領域發揮作用。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials