Fizycy tworzą nowy rodzaj kryształu czasu, który ludzie faktycznie mogą zobaczyć

5 września 2025

autor: Daniel Strain, University of Colorado at Boulder

redakcja: Lisa Lock, recenzja: Robert Egan

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł został poddany przeglądowi zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

zweryfikowane fakty

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

skorygowane błędy

Wyobraź sobie zegar, który nie potrzebuje elektryczności, ale jego wskazówki i tryby obracają się same z siebie na zawsze. W nowym badaniu fizycy z University of Colorado Boulder użyli ciekłych kryształów, tych samych materiałów, które znajdują się w wyświetlaczu twojego telefonu, aby stworzyć taki zegar — albo przynajmniej, jak blisko tego pomysłu mogą dojść ludzie. Postęp zespołu to nowy przykład 'kryształu czasu'. Tak nazywa się ciekawą fazę materii, w której elementy, takie jak atomy lub inne cząsteczki, znajdują się w ciągłym ruchu.

Badacze nie są pierwszymi, którzy stworzyli kryształ czasu, ale ich stworzenie jest pierwszym, które ludzie faktycznie mogą zobaczyć, co mogłoby otworzyć szereg zastosowań technologicznych.

'Mogą być obserwowane bezpośrednio pod mikroskopem, a nawet, w specjalnych warunkach, gołym okiem' — powiedział Hanqing Zhao, główny autor badania i doktorant w Katedrze Fizyki na CU Boulder.

On i Ivan Smalyukh, profesor fizyki i kolega z Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), opublikowali swoje wyniki 4 września w czasopiśmie Nature Materials.

W badaniu badacze zaprojektowali szklane komórki wypełnione ciekłymi kryształami — w tym przypadku cząsteczki w kształcie pręta, które zachowują się trochę jak ciało stałe i trochę jak ciecz. W specjalnych okolicznościach, jeśli na nie zaświecisz, ciekłe kryształy zaczną wirować i poruszać się, podążając za wzorami, które powtarzają się w czasie.

Pod mikroskopem te próbki ciekłych kryształów przypominają psychodeliczne paski tygrysa, i mogą się poruszać przez godziny — podobnie jak ten wiecznie wirujący zegar.

'Wszystko rodzi się z niczego' — powiedział Smalyukh. 'Wszystko, co musisz zrobić, to zaświecić światłem, i z tej nicości wynurza się cały świat kryształów czasu.'

Zhao i Smalyukh są członkami koloradońskiego satelity Międzynarodowego Instytutu Zrównoważonego Rozwoju Związanej Struktury Stalowej Materii (WPI-SKCM2) z siedzibą na Uniwersytecie w Hiroshimie w Japonii, międzynarodowego instytutu mającego na celu tworzenie sztucznych form materii i przyczynianie się do zrównoważonego rozwoju.

Kryształy czasu mogą brzmieć jak coś z science fiction, ale czerpią swoją inspirację z naturalnie występujących kryształów, takich jak diamenty lub sól kuchenna.

Laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek po raz pierwszy zaproponował pomysł kryształów czasu w 2012 roku. Możesz myśleć o tradycyjnych kryształach jako 'kryształach przestrzennych'. Atomy węgla, które składają się na diament, na przykład tworzą siatkę w przestrzeni, którą bardzo trudno jest rozerwać.

Wilczek zastanawiał się, czy byłoby możliwe zbudowanie kryształu, który byłby podobnie dobrze zorganizowany, jednak w czasie zamiast w przestrzeni. Nawet w stanie spoczynku atomy w takim stanie nie tworzyłyby wzoru siatki, ale poruszałyby się lub przekształcały w cykl wieczny — jak animacja GIF, która zawsze się powtarza.

Oryginalna koncepcja Wilczka okazała się niemożliwa do zrealizowania, ale w latach od tego czasu naukowcy stworzyli fazy materii, które zbliżyły się do tego.

Na przykład w 2021 roku fizycy użyli kwantowego komputera Sycamore firmy Google, aby stworzyć specjalną sieć atomów. Gdy zespół uderzył w te atomy promieniem laserowym, uległy one fluktuacjom, które powtarzały się wielokrotnie.

Odkrywaj najnowsze osiągnięcia nauki, technologii i kosmosu razem z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org codziennie. Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj codzienne lub tygodniowe aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które się liczą.

W nowym badaniu Zhao i Smalyukh postawili sobie za cel osiągnięcie podobnego efektu z ciekłymi kryształami.

Smalyukh wyjaśnił, że jeśli odpowiednio uciskasz te cząsteczki, one zbiorą się tak ciasno, że utworzą zagięcia. Zdziwiające, te zagięcia poruszają się i nawet, w pewnych warunkach, zachowują się jak atomy.

'Mamy te skręty, i nie można ich łatwo usunąć' — powiedział Smalyukh. 'Zachowują się jak cząstki i zaczynają się wzajemnie oddziaływać.'

W obecnym badaniu Smalyukh i Zhao umieścili rozwiązanie ciekłych kryształów między dwiema szklanymi płytami pokrytymi cząsteczkami barwnika. Same próbki w większości siedziały na miejscu. Ale gdy grupa oświetliła je pewnym rodzajem światła, cząsteczki barwnika zmieniły swoją orientację i ścisnęły ciekłe kryształy. W rezultacie pojawiło się tysiące nowych zagięć.

Te pęknięcia zaczęły również wzajemnie oddziaływać ze sobą po niezwykle skomplikowanym szeregu kroków. Pomyśl o sali pełnej tancerzy z powieści Jane Austen. Pary rozchodzą się, krążą po sali, wracają do siebie i robią to wszystko od nowa. Wzory w czasie były również niezwykle trudne do przerwania - badacze mogli podnieść lub obniżyć temperaturę swoich próbek bez zakłócania ruchu ciekłych kryształów. “To piękno tego kryształu czasu,” powiedział Smalyukh. “Po prostu tworzysz pewne warunki, które nie są takie specjalne. Świecisz światłem, i to wszystko się dzieje.” Zhao i Smalyukh mówią, że takie kryształy czasu mogłyby mieć kilka zastosowań. Na przykład rządy mogłyby dodać te materiały do banknotów, aby utrudnić fałszowanie - jeśli chcesz dowiedzieć się, czy ten banknot 100-dolarowy jest autentyczny, wystarczy oświetlić 'znak wodny czasu' i obserwować wzór, który się pojawia. Poprzez ułożenie kilku różnych kryształów czasu grupa może stworzyć jeszcze bardziej skomplikowane wzory, co potencjalnie pozwoli inżynierom przechowywać ogromne ilości danych cyfrowych. "Nie chcemy narzucać ograniczeń dla zastosowań teraz,” powiedział Smalyukh. “Myślę, że są możliwości rozwoju tej technologii we wszystkich możliwych kierunkach.” Więcej informacji: Hanqing Zhao et al, Space-time crystals from particle-like topological solitons, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02344-1 Informacje o czasopiśmie: Nature Materials Dostarczone przez: University of Colorado at Boulder