“Tinh thể thời gian”: Một dạng vật chất hoàn toàn mới đối với nhân loại!

Khi nói đến tinh thể, chúng ta có thể không còn xa lạ. Ví dụ, muối ăn thông thường chủ yếu được cấu tạo từ các tinh thể natri clorua. Nhưng, bạn có biết “tinh thể thời gian” là gì không? Tại sao các nhà nghiên cứu lại mong muốn tạo ra tinh thể thời gian?

Ở nhiều khía cạnh, các nhà khoa học cũng giống như thám tử, họ cố gắng giải quyết các bí ẩn bằng cách sàng lọc bằng chứng để xây dựng những mô hình có đặc điểm tương đồng và tìm ra lời giải đáp. Ví dụ, bất kỳ tinh thể nào, dù là một hạt muối ăn hay một chiếc vòng cổ kim cương, thì suy cho cùng chúng cũng chỉ là một loạt các nguyên tử được sắp xếp theo một mô hình lặp lại. Bằng cách này, chỉ cần nhìn vào một vài nguyên tử có hình dạng, bạn có thể phỏng đoán vị trí của tất cả những nguyên tử khác.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu những định luật đó không được biểu hiện trong không gian mà là trong thời gian? Điều gì sẽ xảy ra nếu mối quan hệ giữa các thành phần khác nhau không phải là 'lên, xuống, trái và phải', mà là 'tuần tự', “khi nào” thay vì “ở đâu”?

Và khái niệm phản trực giác này chính là cơ sở của “tinh thể thời gian”, hệ lượng tử thể hiện hành vi lặp đi lặp lại có thể đoán trước được giống như tinh thể.

Sự tồn tại của các tinh thể thời gian lần đầu tiên được dự đoán về mặt lý thuyết vào năm 2012 bởi nhà vật lý học thuộc Viện Công nghệ Massachusetts và người đoạt giải Nobel - Frank Wilczek - Một tinh thể không gian thời gian mở rộng sự đối xứng ba chiều thường thấy trong tinh thể để bao gồm chiều thứ tư của thời gian; Một tinh thể thời gian tự nhiên phá vỡ tính đối xứng của bản dịch thời gian. Kiểu của tinh thể không lặp lại trong không gian, nhưng theo thời gian nó có thể được chuyển động vĩnh viễn. Các tinh thể thời gian có liên quan mật thiết đến khái niệm năng lượng không điểm và hiệu ứng Casimir động. Sau nhiều năm nghiên cứu miệt mài, các nhà thực nghiệm cuối cùng cũng có thể tạo ra một tinh thể thời gian vào năm 2021.

Chìa khóa để hiểu tinh thể đặc biệt này là hiểu rằng vật chất tồn tại trong các “pha” khác nhau, ví dụ, nước có 3 pha phổ biến: nước đá, nước và hơi nước. Một vật liệu có thể có các đặc tính rất khác nhau, tùy thuộc vào giai đoạn chúng ta tìm thấy nó. Các tinh thể thông thường - có thể thực sự được gọi là “tinh thể không gian” - là các pha của một chất như vậy. Tinh thể này được đặc trưng bởi sự sắp xếp rất đều đặn của các hạt trong không gian. Trong một tinh thể thời gian, các hạt không chỉ được sắp xếp rất đều đặn trong không gian mà còn được sắp xếp rất đều đặn theo thời gian. Những hạt này có thể di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác và quay trở lại mà không làm chậm lại hoặc mất năng lượng.

Hiện nay, một nhóm các nhà vật lý dưới sự hướng dẫn của kỹ sư Hossein Taheri tại Đại học California, Riverside, đã đạt được một bước tiến mới bằng cách tạo ra một tinh thể thời gian ngoài ánh sáng. Công trình của họ, được công bố trên Nature Communications vào tháng 2, có thể giúp các tinh thể thời gian biến đổi từ sự tò mò trong thử nghiệm tinh tế thành các thành phần thiết bị hữu hình.

Mặc dù hoạt động của một tinh thể thời gian sẽ lặp lại theo thời gian, nhưng nó không đơn giản như một chiếc đồng hồ. Đồng hồ cần năng lượng bên ngoài để chạy, nhưng đối với một tinh thể thời gian, việc hoạt động như 'một chiếc đồng hồ' chính xác là trạng thái ổn định và tự nhiên nhất của nó. Nói cách khác, tinh thể thời gian có thể thay đổi theo thời gian, nhưng sẽ tiếp tục trở lại hình dạng ban đầu.

Điều này hoàn toàn trái ngược với cân bằng nhiệt động lực học như các nhà vật lý vẫn hiểu - một khi năng lượng đi vào một hệ thống, nó chắc chắn sẽ tiêu tan theo thời gian, giống như một nồi nước nóng đã được đun sôi và để ở nhiệt độ phòng thì dần dần nó sẽ nguội lạnh.

Trong khi đó, tinh thể thời gian giống như một nồi nước luôn sôi và không bao giờ nguội. Theo một số định nghĩa, các tinh thể thời gian đại diện cho một trạng thái mới và độc đáo của vật chất, đặc điểm đáng chú ý nhất là nó vi phạm các quy luật cân bằng nhiệt động lực học và không thay đổi. Vì vậy nó có thể được sử dụng để tính thời gian chính xác hoặc xử lý thông tin lượng tử trong tương lai.

Các tinh thể thời gian đã vượt ra khỏi giai đoạn của các khái niệm lý thuyết thuần túy, và con người bắt đầu khám phá các ứng dụng kỹ thuật của chúng. Nhưng các nhà nghiên cứu vẫn còn một chặng đường dài và gian nan để có được nhiều tinh thể thời gian hơn ra khỏi phòng thí nghiệm và đưa vào ứng dụng thực tế.

Việc xác định xem một thí nghiệm có tạo ra các tinh thể thời gian hay không thường đòi hỏi các thiết lập thí nghiệm cực kỳ phức tạp và nghiêm ngặt đồng thời phải được giám sát bởi các máy tính lượng tử cực mạnh.

Trong nghiên cứu mới này, nhóm các nhà khoa học đã đưa hai chùm tia laser vào một khoang chứa tinh thể hình đĩa, đường kính 1 milimet. Hai tia laser sẽ phản xạ lại trong khoang, không ngừng va chạm. Các nhà nghiên cứu đã cố tình chọn một thiết kế khoang cụ thể và kiểm soát các đặc tính của chùm tia laser để ánh sáng phản xạ từ tia laser tạo ra một dạng mà chưa có ánh sáng thông thường nào hình thành: tia laser phản xạ qua lại bên trong khoang tạo thành nhiều sóng đơn lẻ. Những sóng này có tính chu kỳ có thể đoán trước và khớp với nhịp điệu một cách hoàn hảo, vì vậy chúng có thể được xem như một tinh thể thời gian.

Nếu bạn đưa tinh thể này ra ngoài miệng khoang chứa với máy dò ánh sáng, ban đầu bạn sẽ phát hiện ra các biến thể tuần hoàn về cường độ ánh sáng đi ra có liên quan đến đặc tính của tia lazer. Nhưng tại một thời điểm nhất định, cường độ ánh sáng bạn phát hiện sẽ đột ngột thay đổi. Giống như xem phim trên TV và phim đột nhiên tua nhanh và tốc độ tua nhanh dường như được xác định bởi một cơ chế vô hình nào đó trên màn hình, hoàn toàn nằm ngoài tầm kiểm soát của bạn.

Chúng ta cũng có thể thấy một số đặc điểm tuần hoàn trong các sóng ánh sáng này, nhưng những chu kỳ này thực sự là gấp đôi, gấp ba hoặc bội số nguyên khác của chu kỳ riêng của laser.

Điều này giống như việc treo một sợi chỉ trong nước muối để phát triển các tinh thể muối. Điều chỉnh đặc tính của tia lazer cũng giống như điều chỉnh cấu trúc của dây mà bạn cho vào nước muối. Dù là tia laze hay dây thì vai trò của chúng chỉ là giúp tinh thể hình thành, nhưng tính tuần hoàn và lặp lại của tinh thể hoàn toàn do chính nó quyết định.

Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng nhiều yếu tố khác nhau để tạo ra các tinh thể thời gian. Tuy nhiên, thí nghiệm này lại chứng minh rằng việc sử dụng tia laze để tạo ra các tinh thể thời gian có nhiều lợi ích thiết thực hơn. Hơn hết, các tinh thể thời gian mà nhóm tạo ra cũng hoạt động tốt trong những trường hợp tương đối bình thường.

Hầu hết các trạng thái lượng tử của vật chất phải tiếp xúc với các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cực thấp để thể hiện các tính chất lượng tử. Berislav Buca, nhà vật lý tại Đại học Oxford, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Theo quan điểm của tôi, thí nghiệm này rất quan trọng vì nó được thực hiện ở nhiệt độ tương đối cao. Điều này đưa nó đến gần hơn với các quá trình phức tạp mà chúng ta quan sát được trong cuộc sống hàng ngày”.

Là thiết bị đo thời gian, các tinh thể thời gian dựa trên laser có lẽ kém chính xác hơn một chút so với đồng hồ nguyên tử. Nhưng sự ổn định và đơn giản của nó khiến nó phù hợp để sử dụng trong các thiết bị hàng ngày. Ngoài ra, một số kỹ thuật sản xuất linh kiện điện tử thường được sử dụng cũng có thể tích hợp tinh thể thời gian vào chip, giúp hệ thống dễ dàng thích ứng với các sản phẩm tiêu dùng hiện có.

Các nhà vật lý có thể nghiên cứu các tinh thể thời gian giống như cách mà các tinh thể không gian truyền thống đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ và xác định xem liệu các tinh thể thời gian có hoạt động bất ngờ khi chúng có một số khuyết thiếu nhất định hoặc tiếp xúc với năng lượng quá mức hay không. Tất nhiên, tinh thể thời gian cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các hệ lượng tử, bao gồm cả hiện tượng rối lượng tử. Trong rối lượng tử, khi bạn hoạt động trên một hạt, hạt kia sẽ thay đổi tương ứng, ngay cả khi chúng ở rất xa nhau. Đây là một dạng trạng thái vật chất hoàn toàn mới, một vùng đất nguyên sơ, một thế giới mới đang chờ được khám phá.

Tham khảo: Scientificamerican; Stanford; Sina