Nếu chúng ta muốn làm cho một vật thể hàng ngày nghe có vẻ khoa học viễn tưởng, có thể nói rằng những gì chúng ta thường gọi là tinh thể thực sự là “tinh thể không gian.” Những thứ trong trang sức của bạn hoặc chỉ là lọ muối của bạn có hình dạng nhờ vào việc các nguyên tử của chúng sắp xếp theo một mô hình lặp lại trong không gian.

Nhưng vì không gian và thời gian thường được xem là hai thành phần của cùng một “thể”, liệu điều đó có nghĩa là cũng có tinh thể với mô hình lặp lại theo thời gian không? Đó là giả thuyết được đưa ra bởi Frank Wilczek, một nhà vật lý học đoạt giải Nobel tại MIT, vào năm 2012.

Thật khó để hiểu làm thế nào điều đó có thể hoạt động, nhưng một phép so sánh phổ biến là hãy tưởng tượng một bát thạch Jell-O, và tưởng tượng nó sẽ phản ứng như thế nào khi được gõ nhẹ bằng một cái thìa. Thông thường bạn sẽ mong đợi nó rung động trong vài giây, sau đó dừng lại. Nhưng nếu thạch Jell-O này là một tinh thể thời gian, nó có thể rung động sau một khoảng trễ, dừng lại, rung động lại, dừng lại một lần nữa, và lặp lại quá trình này một cách vô thời hạn, ngay cả khi không có sự tác động từ một cái gõ khác.

Có vẻ như gần giống với một máy móc vận hành vĩnh cửu, nhưng tinh thể thời gian thực sự không vi phạm bất kỳ định luật nào của nhiệt động học, và lượng entropy trong hệ thống vẫn không đổi. Trong vài năm, các nhà khoa học tranh luận về việc liệu sự tồn tại của chúng có thể xảy ra hay không, cho đến khi vào năm 2017, một nhóm cuối cùng đã tạo ra tinh thể thời gian trong phòng thí nghiệm. Các nghiên cứu sau đó tìm thấy chúng trong bộ dụng cụ trồng tinh thể của trẻ em và trong bộ xử lý máy tính lượng tử, và thậm chí quan sát chúng tương tác với nhau.

Nhưng những ví dụ này không nắm bắt được bản chất thực sự của một tinh thể thời gian, chỉ một số hành vi không đồng bộ. Chúng là, để tiếp tục phép so sánh trước đây, gõ vào thạch Jell-O một lần mỗi giây và quan sát nó rung động chỉ mỗi hai giây. Một tinh thể thời gian thực sự sẽ bắt đầu rung động một mình, và sau đó rung động theo một mô hình tuần hoàn vô thời hạn. Loại tinh thể thời gian này chỉ được chứng minh lần đầu tiên vào năm 2022, nhưng nó chỉ tồn tại trong vài mili giây.

Bây giờ, các nhà khoa học tại Đại học Dortmund ở Đức đã tạo ra một tinh thể tồn tại lâu hơn 10 triệu lần. Nó được làm từ indium gallium arsenide, sau đó được chiếu sáng liên tục cho đến khi spin hạt nhân của tinh thể trở nên cực đoan. Sau một thời gian, nhóm nghiên cứu nói rằng hạt nhân bắt đầu dao động theo một mô hình dự đoán được, trong một quá trình tương đương với một tinh thể thời gian.

Nhóm nghiên cứu cho biết chu kỳ của tinh thể có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh các điều kiện thí nghiệm. Nó cũng có thể được làm “tan chảy,” có nghĩa là mất mô hình của mình và bắt đầu biểu hiện một số hành vi hỗn loạn. Điều này có thể mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.