Các nhà khoa học tạo ra tinh thể thời gian hữu hình: Vật liệu kỳ diệu của tương lai

Khái niệm về tinh thể thời gian lần đầu tiên được nhà khoa học đoạt giải Nobel Frank Wilczek đề xuất vào năm 2012, thách thức những định luật vật lý cơ bản. Trong khi các tinh thể truyền thống như kim cương có cấu trúc mạng lưới lặp lại trong không gian ba chiều, tinh thể thời gian lại có một cấu trúc trật tự và lặp lại theo chiều thứ tư: thời gian.

Các thành phần cấu tạo của chúng không đứng yên mà liên tục chuyển động và biến đổi trong một chu kỳ tuần hoàn, không bao giờ kết thúc. Mặc dù từng được cho là không thể tồn tại, tinh thể thời gian đã lần đầu tiên được quan sát bằng thực nghiệm vào năm 2016, và một ví dụ nổi tiếng khác là vào năm 2021 khi các nhà vật lý sử dụng máy tính lượng tử của Google để tạo ra một mạng lưới các nguyên tử có thể lặp lại chuyển động khi được kích hoạt.

Vẻ đẹp của tinh thể thời gian dưới kính hiển vi

Điểm độc đáo của nghiên cứu mới nhất này nằm ở việc các nhà khoa học đã tạo ra tinh thể thời gian hữu hình đầu tiên trên thế giới. Nhóm nghiên cứu, do giáo sư Ivan Smalyukh và nghiên cứu sinh Han Qing dẫn đầu, đã đạt được kỳ tích này bằng cách sử dụng tinh thể lỏng, một vật liệu thường được dùng trong màn hình điện thoại di động.

Các nhà nghiên cứu đã tiêm các phân tử tinh thể lỏng hình que, vốn sở hữu cả đặc tính của chất rắn và chất lỏng, vào một khoang thủy tinh.

Khi được chiếu sáng bằng một nguồn sáng đặc biệt, các phân tử tinh thể lỏng bắt đầu chuyển động theo một mô hình lặp lại. Dưới kính hiển vi, mô hình xoay tròn này hiện ra như "những sọc hổ ảo giác", nhảy múa theo một chu kỳ liên tục.

Giáo sư Smalyukh mô tả một cách sống động: "Mọi thứ hiện ra từ hư không. Chỉ cần chiếu ánh sáng vào nó, và toàn bộ thế giới tinh thể thời gian sẽ hiện ra". Các nhà nghiên cứu đã tiết lộ cơ chế đằng sau hiện tượng này: khi các phân tử bị nén, chúng kết tụ lại thành những "khúc gấp khúc".

Những khúc gấp khúc này có thể di chuyển và, trong điều kiện thích hợp, thể hiện các đặc tính giống như nguyên tử. "Chúng hoạt động như các hạt và bắt đầu tương tác với nhau", Smalyukh lưu ý.

Ứng dụng đột phá của công nghệ mới

Ngoài vẻ đẹp mang tính khoa học, nghiên cứu này còn hứa hẹn những ứng dụng thực tiễn đột phá. Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đặt một dung dịch tinh thể lỏng giữa hai tấm kính phủ phân tử thuốc nhuộm.

Khi mẫu ban đầu đứng yên được chiếu sáng bằng một nguồn sáng cụ thể, các phân tử thuốc nhuộm bắt đầu dịch chuyển vị trí. Giống như những vũ công trong phòng khiêu vũ, những phân tử này liên tục tách ra, xoay tròn và lắp ráp lại theo một mô hình lặp lại.

Mô hình này cực kỳ ổn định, vẫn giữ nguyên vẹn ngay cả khi nhiệt độ mẫu thay đổi. Giáo sư Smalyukh giải thích: "Đó chính là vẻ đẹp của tinh thể thời gian. Bạn chỉ cần tạo ra những điều kiện không đáng chú ý và chiếu sáng chúng để kích hoạt toàn bộ hiện tượng".

Các nhà nghiên cứu tin rằng vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra các công nghệ chống làm giả tiên tiến. Ví dụ, một "hình mờ thời gian" có thể được nhúng vào tiền giấy hoặc các sản phẩm có giá trị cao. Khi được chiếu sáng bằng một nguồn sáng đặc biệt, nó sẽ để lộ ra một họa tiết động độc đáo, gần như không thể sao chép.

Hơn nữa, các nhà vật lý đã đề xuất xếp chồng các tinh thể thời gian để tạo ra các họa tiết phức tạp hơn nữa. Cấu trúc này có tiềm năng mở ra một phương pháp mới để lưu trữ lượng lớn dữ liệu kỹ thuật số, tạo ra một công nghệ mã vạch hai chiều thế hệ mới.

Khi công nghệ này được phát triển và thử nghiệm thêm, nhóm nghiên cứu tin rằng ứng dụng của nó sẽ vượt xa những gì hiện tại đang hình dung. Kết quả nghiên cứu mang tính đột phá này đã được công bố trên tạp chí Nature Materials, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc hiện thực hóa một trong những khái niệm vật lý phức tạp nhất.

Khám phá này không chỉ củng cố sự tồn tại của tinh thể thời gian mà còn biến chúng từ một khái niệm trừu tượng thành một vật liệu hữu ích, sẵn sàng để định hình các công nghệ của tương lai.