Tinh thể thời gian lần đầu lộ diện: Có thể nhìn thấy bằng mắt thường

Sọc hổ ảo giác

Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 2012 bởi nhà vật lý đoạt giải Nobel Frank Wilczek , tinh thể thời gian là những nhóm hạt lặp lại theo thời gian, giống như các tinh thể khác lặp lại trong không gian.

Hành vi này gây tò mò cho các nhà vật lý, các định luật vật lý hoàn toàn đối xứng trong không gian và chủ yếu là theo thời gian, dẫn đến những kết quả giống nhau bất kể hướng của chúng trong không gian hay thời gian.

Nhưng tinh thể phá vỡ tính đối xứng này, tự sắp xếp theo một hướng không gian ưa thích. Điều này có nghĩa là, mặc dù các định luật vật lý vẫn giữ nguyên tính đối xứng cơ bản, các định luật này tạo ra những kết quả khác nhau cho tinh thể tùy thuộc vào hướng chúng tác động lên.

Và cũng giống như cách tinh thể phá vỡ tính đối xứng trong không gian, tinh thể thời gian cũng phá vỡ tính đối xứng trong thời gian. Chúng tồn tại ở mức năng lượng thấp nhất có thể được cơ học lượng tử cho phép và dao động giữa hai trạng thái mà không hề chậm lại.

Những đặc tính đáng chú ý này đã dẫn đến những tuyên bố rằng tinh thể thời gian là những cỗ máy chuyển động vĩnh cửu, vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học , nhưng thực tế không phải vậy. Các tinh thể, được điều khiển bởi photon, hay các hạt ánh sáng, không thể mất hay nhận năng lượng; tất cả những gì ánh sáng chiếu vào chúng chỉ khiến chúng lặp lại sự xáo trộn hai trạng thái.

Kể từ đề xuất của Wilczek, các nhà vật lý đã tạo ra và nghiên cứu tinh thể thời gian bên trong kim cương, máy tính lượng tử và nguyên tử rubidi được kích thích lên kích thước gấp hàng trăm lần kích thước thông thường của chúng.

Tuy nhiên, những tinh thể này không thể nhìn thấy trực tiếp mà thay vào đó được nghiên cứu thông qua sự dao động của ánh sáng laser. Để thiết kế các tinh thể thời gian hữu hình, các nhà nghiên cứu đứng sau nghiên cứu mới này đã kẹp các tinh thể lỏng — các phân tử hình que hoạt động như cả chất rắn và chất lỏng — giữa hai tấm kính được phủ thuốc nhuộm. Nếu chúng được ép lại với nhau theo đúng cách, các phân tử này sẽ tạo thành các nếp gấp có thể di chuyển và thậm chí hoạt động như các nguyên tử.

Bằng cách chiếu ánh sáng vào các mảnh thủy tinh, các nhà khoa học đã khiến các phân tử thuốc nhuộm phủ lên chúng dịch chuyển theo phản ứng và ép các tinh thể lỏng, tạo thành hàng ngàn nếp gấp mới nhảy múa trên dung dịch trong các tương tác lặp lại đều đặn theo thời gian. Ngay cả khi các nhà nghiên cứu tăng hoặc giảm nhiệt độ, chuyển động của các nếp gấp vẫn không thay đổi.

Smalyukh nói: "Chỉ cần chiếu một tia sáng, cả thế giới tinh thể thời gian này sẽ hiện ra".

Bên cạnh những tiến bộ trong vật lý cơ bản, các nhà nghiên cứu cho biết hệ thống mới của họ một ngày nào đó có thể được phát triển thành "dấu thời gian" với các hoa văn riêng biệt giúp việc làm giả các tờ tiền mệnh giá cao trở nên khó khăn hơn. Việc xếp chồng các tinh thể cũng có thể tạo ra các hoa văn phức tạp hơn, có khả năng lưu trữ lượng dữ liệu lớn.