時間晶體是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，它會隨著時間展現(xiàn)出連續(xù)、重復(fù)的模式，就像普通晶體中的原子在空間中重復(fù)排列一樣。

在一項新發(fā)表于《自然·材料》的研究中，一個物理學(xué)家團(tuán)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(xué)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(shù)應(yīng)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(shè)想。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)。維爾切克則設(shè)想，是否可能在時間維度形成類似的有序結(jié)構(gòu)？

時間晶體的重復(fù)有點像地球的四季，一年一次，像時鐘一樣精準(zhǔn)。

維爾切克設(shè)想的版本幾乎類似于“永動機(jī)”：即便原子處于自然靜止?fàn)顟B(tài)下，它們?nèi)阅懿粩噙\動或轉(zhuǎn)變，像一段永不停止循環(huán)播放的動畫。但不久之后，科學(xué)家通過數(shù)學(xué)證明這一設(shè)想是不可實現(xiàn)的。不過，科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，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(tài)而非靜止的奇特系統(tǒng)中，就能出現(xiàn)有序的時間晶體。

此后，科學(xué)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(tǒng)。2021年，甚至有物理學(xué)家利用谷歌的Sycamore量子計算機(jī)，通過激光操縱原子網(wǎng)絡(luò)讓它們產(chǎn)生周期性重復(fù)的波動，創(chuàng)造出了非常接近時間晶體的物質(zhì)相。

然而，這些現(xiàn)象只存在于復(fù)雜的量子物質(zhì)系統(tǒng)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(xiàn)類似的奇跡。液晶由細(xì)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(dāng)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(fā)生改變，進(jìn)而擠壓液晶分子。

計算機(jī)模擬展示了時間晶體的內(nèi)部機(jī)制：一束光（藍(lán)色箭頭）使染料分子（紅色棒狀）改變?nèi)∠颍瑥亩?qū)動下方液晶的運動。（圖/Smalyukh Lab）

一旦有些液晶分子發(fā)生“扭曲”，就會引發(fā)連鎖反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生了成千上萬個新的“扭折”（扭曲結(jié)構(gòu)）。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些扭折隨后進(jìn)入復(fù)雜的相互作用過程，它們會開始旋轉(zhuǎn)、流動和重新排列，并呈現(xiàn)出隨時間周期性重復(fù)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(fā)生相互作用，并產(chǎn)生可見的波紋。為了進(jìn)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(jìn)行了觀測。他們發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(qiáng)度，它依然能維持其獨特的節(jié)奏數(shù)小時——就像一只永不停歇的時鐘。而通過調(diào)節(jié)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(yīng)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(yán)格意義上說，它應(yīng)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(fā)了一個問題：是否還有其他周期性現(xiàn)象也能納入這一范疇？

應(yīng)用前景

研究人員強(qiáng)調(diào)，這類時間晶體并不僅僅是科學(xué)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(xiàn)獨特的“時間水印”，從而驗證鈔票真?zhèn)?。通過堆疊不同圖樣的時間晶體，還能生成更復(fù)雜的圖案，比如動態(tài)二維碼，未來或許可用于大容量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲。

不過，研究人員表示，他們不想過早地為它的用途設(shè)限，并認(rèn)為這項技術(shù)有機(jī)會在許多領(lǐng)域發(fā)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