摘要：科罗拉多大学博尔德分校的物理学家成功创造出人类历史上第一个可以直接观察的时间晶体，这一突破性成就发表在《自然材料》杂志上。与此前只能在量子层面存在的时间晶体不同，这种新型时间晶体使用液晶材料制造，在显微镜下呈现出迷幻的虎纹图案，甚至在特定条件下可用肉眼观察。更

信息来源：https://phys.org/news/2025-09-physicists-kind-crystal-humans.html

科罗拉多大学博尔德分校的物理学家成功创造出人类历史上第一个可以直接观察的时间晶体，这一突破性成就发表在《自然材料》杂志上。与此前只能在量子层面存在的时间晶体不同，这种新型时间晶体使用液晶材料制造，在显微镜下呈现出迷幻的虎纹图案，甚至在特定条件下可用肉眼观察。更令人惊奇的是，这些时间晶体能够连续运动数小时，如同一台没有电源却永远自行运转的时钟。

这项研究由物理系研究生赵汉青和教授伊万·斯马柳赫领导，不仅在基础物理学领域具有重要意义，还为防伪技术、数据存储和材料科学等应用领域开辟了全新可能性。

时间晶体的理论基础与发展历程

连续时空晶体的空间结构、时间周期性和多体相互作用。图片来源：《自然材料》（2025）。DOI：10.1038/s41563-025-02344-1

时间晶体的概念最初由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克于2012年提出。要理解这一概念，需要从传统晶体说起。在空间晶体中，如钻石或食盐，原子在三维空间中排列成有序的重复结构，形成稳定的晶格。维尔切克的革命性想法是：是否可能创造出在时间维度上具有类似周期性结构的物质状态？

在这种假想的时间晶体中，系统的基态不是静止的，而是随时间周期性变化，即使在没有外部能量输入的情况下也能保持永续运动。这种概念挑战了传统热力学定律，因为它暗示着可能存在一种永动机式的物质状态。

虽然维尔切克最初提出的理想时间晶体被证明在物理上不可能实现，但科学家们随后发现了许多接近这一概念的物质相。这些被称为"离散时间晶体"的系统需要外部周期性驱动，但它们的响应频率与驱动频率不同，表现出时间上的对称性破缺。

2016年，理论物理学家们首次证明了离散时间晶体的存在可能性。随后几年里，多个研究团队在不同的物理系统中实现了时间晶体，包括离子阱、核磁共振系统和钻石中的氮空位中心。2021年，谷歌的研究团队利用其Sycamore量子计算机创建了迄今为止最稳定的时间晶体，当用激光脉冲激发时，原子网络会产生持续的周期性振荡。

液晶时间晶体的创新突破

科罗拉多大学博尔德分校团队的创新之处在于使用了完全不同的材料系统——液晶。液晶是一种介于固体和液体之间的物质状态，其棒状分子既保持一定的取向秩序，又具有流动性。这种材料广泛应用于显示器技术，但其在时间晶体研究中的应用此前从未被探索。

研究团队的实验设计巧妙而精确。他们将液晶溶液封装在两片玻璃之间，玻璃表面涂覆了特殊的染料分子。在正常情况下，这些液晶样品基本保持静止状态。然而，当研究人员用特定波长的光照射样品时，染料分子会改变取向，进而影响液晶的排列。

这一过程引发了一系列复杂而有序的变化。在光的作用下，液晶中形成了数以千计的拓扑缺陷，即所谓的"扭结"。这些扭结具有类似粒子的行为，它们会相互作用、移动、分离、重新聚合，然后重复这一过程。整个系统的行为类似于一个复杂的分子舞蹈，每个参与者都遵循着精确的时间节拍。

斯马柳赫教授生动地描述了这一现象："想象一下简·奥斯汀小说中一间挤满舞者的房间。舞者们分开，绕着房间旋转，重新聚在一起，然后重复一遍。"这种时间模式异常稳定，研究人员可以在不干扰液晶运动的情况下改变样品的温度或其他外部条件。

观察与表征的技术突破

连续时空晶体在防伪设计中的应用。图片来源：《自然材料》（2025）。DOI：10.1038/s41563-025-02344-1

这种液晶时间晶体最引人注目的特点是其可视性。与此前只能通过间接手段探测的时间晶体不同，这些液晶系统在显微镜下呈现出清晰可见的图案。研究人员观察到的虎纹状图案实际上是液晶分子取向变化的视觉表现，这些图案随时间周期性变化，形成了一种时空中的动态结构。

更令人印象深刻的是，在特定条件下，这些时间晶体甚至可以用肉眼观察到。这一特点使得时间晶体从抽象的物理概念转变为可以直接感知的物理现象，极大地推进了对这类奇特物质状态的理解和应用。

研究团队还开发了先进的成像和分析技术来表征这些时间晶体的行为。通过高速摄影和计算机模拟，他们能够详细追踪扭结的形成、运动和相互作用过程。这些观察揭示了时间晶体内部复杂的动力学机制，为理论模型提供了重要的实验验证。

计算机模拟进一步揭示了系统的工作原理。当光照射到染料分子上时，这些分子会重新取向，产生一个局部的分子场变化。这种变化传播到周围的液晶中，导致大范围的结构重组。整个过程具有高度的协调性和周期性，体现了时间晶体的本质特征。

应用前景与技术潜力

这种可见的时间晶体为多个技术领域带来了革命性的应用前景。在防伪技术领域，政府和金融机构可以将这些材料集成到纸币、证件或其他重要文件中。通过特定光照激活的时间晶体会产生独特的动态图案，这种"时间水印"几乎不可能伪造，因为它依赖于材料的内在物理性质而非简单的印刷工艺。

数据存储是另一个极具潜力的应用领域。通过堆叠多个不同参数的时间晶体，研究团队演示了创建复杂时间模式的能力，这些模式可以编码大量数字信息。这种基于时间晶体的存储系统可能具有超高密度和长期稳定性的优势。

在材料科学领域，这项研究为开发新型智能材料提供了思路。这些材料可以在特定刺激下产生可预测的动态响应，在传感器、执行器和自适应结构中具有广泛应用前景。

研究团队还探索了创建更复杂时间晶体结构的可能性。通过精确控制液晶的组成和几何结构，他们成功创造了所谓的"时间条形码"——一种具有多层次时间周期性的复杂图案。这种结构为信息编码和存储提供了更多维度的可能性。

基础科学意义与未来展望

从基础科学角度来看，这项研究为理解非平衡物理学和拓扑物质状态提供了新的实验平台。时间晶体代表了一类全新的物质相，其特性挑战了我们对平衡态热力学和统计力学的传统理解。

这种液晶系统的独特之处在于它结合了宏观可观测性和量子物理原理。扭结的形成和相互作用涉及复杂的拓扑物理学，而整个系统的集体行为则展现了多体量子系统的特征。这为研究量子现象的经典类比提供了宝贵的工具。

研究团队表示，他们不想限制这项技术的应用发展方向。当前的成果仅仅是开始，未来可能在多个方向上取得突破。随着对时间晶体理解的深入和制备技术的完善,我们有理由期待这种奇特的物质状态在科学技术的各个领域发挥重要作用。

来源：科学课代表