Tinh thể thời gian (Time crystal)

Điều này có nghĩa là một số tính chất của tinh thể thời gian thay đổi theo chu kỳ theo thời gian, mặc dù hệ thống không nhận năng lượng từ bên ngoài và không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học thông thường. Hãy tưởng tượng một cục thạch lắc lư mãi mãi mà không cần bất kỳ tác động nào từ bên ngoài – đó là ý tưởng cốt lõi đằng sau tinh thể thời gian.

Sự khác biệt với dao động thông thường

Điều quan trọng cần phân biệt là dao động của tinh thể thời gian không giống như dao động của một con lắc hay một mạch điện xoay chiều. Những hệ thống này dao động vì chúng được cung cấp năng lượng liên tục hoặc đang tiêu tán năng lượng. Tinh thể thời gian dao động ở trạng thái năng lượng thấp nhất mà không cần năng lượng bổ sung. Đây chính là điểm khác biệt cơ bản và thú vị nhất của tinh thể thời gian so với các hệ dao động thông thường.

Điều kiện hình thành Tinh thể thời gian

Để một hệ thống được coi là tinh thể thời gian, nó phải đáp ứng một số điều kiện nhất định:

• Phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian tự phát (Spontaneous breaking of time-translation symmetry): Điều này có nghĩa là mặc dù các định luật vật lý chi phối hệ thống không thay đổi theo thời gian, nhưng trạng thái cơ bản của hệ thống lại có sự thay đổi theo thời gian.
• Tuần hoàn theo thời gian: Hệ thống phải thể hiện tính tuần hoàn theo thời gian, nghĩa là trạng thái của nó lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định.
• Ổn định: Dao động thời gian phải ổn định trong một khoảng thời gian dài.
• Trạng thái năng lượng thấp: Dao động phải xảy ra ở trạng thái năng lượng thấp nhất của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng vì nó phân biệt tinh thể thời gian với các hệ dao động thông thường.

Các loại Tinh thể thời gian

Hiện nay, người ta phân biệt hai loại tinh thể thời gian chính:

• Tinh thể thời gian Floquet (Floquet time crystals): Loại này được tạo ra bằng cách tác động lên hệ thống một trường tuần hoàn theo thời gian. Sự phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian xảy ra do sự tương tác giữa hệ thống và trường ngoài. Có thể hiểu đơn giản là hệ thống được “lắc” theo một chu kỳ nhất định và nó phản ứng lại bằng một chu kỳ khác, dài hơn.
• Tinh thể thời gian rời rạc (Discrete time crystals – DTC): Loại tinh thể thời gian này tồn tại trong các hệ thống lượng tử nhiều vật thể cô lập, được điều khiển bởi một chuỗi xung tuần hoàn. Chúng thể hiện tính chu kỳ theo thời gian là bội số của chu kỳ điều khiển, thể hiện sự phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian rời rạc.

Ứng dụng tiềm năng

Tinh thể thời gian là một lĩnh vực nghiên cứu mới và đầy hứa hẹn, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai, bao gồm:

• Máy tính lượng tử: Tinh thể thời gian có thể được sử dụng để xây dựng các qubit ổn định hơn, giúp cải thiện hiệu suất của máy tính lượng tử.
• Cảm biến siêu chính xác: Do tính nhạy cảm cao với các nhiễu loạn, tinh thể thời gian có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến cực kỳ chính xác.
• Đồng hồ nguyên tử chính xác hơn: Tinh thể thời gian có thể cung cấp một cơ chế mới để đo thời gian với độ chính xác chưa từng có.

Tinh thể thời gian là một khám phá mang tính đột phá trong vật lý, mở ra những hướng nghiên cứu mới về vật chất và thời gian. Mặc dù vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về loại vật chất kỳ lạ này, nhưng tiềm năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau là rất lớn.

Thách thức và Hướng nghiên cứu

Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong việc tạo ra và quan sát tinh thể thời gian, lĩnh vực này vẫn còn khá non trẻ và đối mặt với nhiều thách thức. Một số thách thức bao gồm:

• Độ ổn định: Việc duy trì sự dao động ổn định của tinh thể thời gian trong thời gian dài là một thách thức lớn. Các nhiễu loạn từ môi trường có thể phá vỡ tính tuần hoàn thời gian của hệ thống.
• Kích thước hệ thống: Hầu hết các thí nghiệm hiện tại đều được thực hiện trên các hệ thống tương đối nhỏ. Việc mở rộng quy mô hệ thống lên các hệ thống lớn hơn là cần thiết để khám phá đầy đủ tiềm năng của tinh thể thời gian.
• Đặc trưng và đo lường: Việc phát triển các phương pháp đặc trưng và đo lường chính xác cho tinh thể thời gian vẫn đang được nghiên cứu. Cần có những công cụ và kỹ thuật mới để xác định và phân tích các tính chất đặc trưng của tinh thể thời gian.
• Ứng dụng thực tế: Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc chuyển đổi những ứng dụng này thành hiện thực đòi hỏi nhiều nghiên cứu và phát triển hơn nữa. Việc tìm ra những ứng dụng cụ thể và khả thi là chìa khóa cho sự phát triển của lĩnh vực này.

Các hướng nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc giải quyết những thách thức này, bao gồm:

• Tìm kiếm các hệ thống vật lý mới: Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các hệ thống vật lý mới có thể hỗ trợ sự hình thành tinh thể thời gian ổn định hơn và ở nhiệt độ cao hơn.
• Phát triển các kỹ thuật điều khiển mới: Việc phát triển các kỹ thuật điều khiển chính xác hơn có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu loạn và duy trì sự dao động ổn định.
• Nghiên cứu các tính chất cơ bản: Việc hiểu rõ hơn về các tính chất cơ bản của tinh thể thời gian, chẳng hạn như động lực học và sự tương tác với môi trường, là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng thực tế.
• Khám phá các ứng dụng mới: Các nhà nghiên cứu đang tích cực khám phá các ứng dụng mới của tinh thể thời gian trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm khoa học thông tin lượng tử, đo lường chính xác và khoa học vật liệu.

Tinh thể thời gian và Định luật Nhiệt động lực học

Một câu hỏi quan trọng đặt ra là liệu sự tồn tại của tinh thể thời gian có vi phạm định luật nhiệt động lực học hay không, đặc biệt là định luật thứ hai liên quan đến entropy. Hiện tại, các nhà khoa học cho rằng tinh thể thời gian không vi phạm định luật nhiệt động lực học. Lý do là vì tinh thể thời gian tồn tại trong các hệ thống không cân bằng và được điều khiển bởi các trường ngoài tuần hoàn. Sự phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian xảy ra do sự tương tác với trường ngoài, chứ không phải do sự giảm entropy tự phát.

Mô tả toán học (rút gọn)

Một mô hình đơn giản của tinh thể thời gian rời rạc (DTC) có thể được mô tả bằng Hamiltonian Floquet:

$H(t) = H(t+T)$

với $T$ là chu kỳ của trường điều khiển. Sự phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian rời rạc được biểu hiện bằng việc quan sát được một đại lượng vật lý $O(t)$ dao động với chu kỳ $nT$, với $n > 1$ là một số nguyên. Điều này cho thấy hệ thống phản ứng với tần số khác với tần số của trường điều khiển, một dấu hiệu đặc trưng của tinh thể thời gian.

• Wilczek, F. (2012). Quantum time crystals. Physical review letters, 109(16), 160401.
• Zhang, J., Hess, P. W., Kyprianidis, A., Becker, P., Lee, A., Smith, J., … & Monroe, C. (2017). Observation of a discrete time crystal. Nature, 543(7644), 217-220.
• Choi, S., Choi, J., Landig, R., Kucsko, G., Zhou, H., Isoya, J., … & Lukin, M. D. (2017). Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system. Nature, 543(7644), 221-225.
• Sacha, K., & Zakrzewski, J. (2018). Time crystals: a review. Reports on Progress in Physics, 81(1), 016401.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa tinh thể thời gian và các hệ dao động thông thường như con lắc là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở việc tinh thể thời gian dao động ở trạng thái năng lượng thấp nhất mà không cần năng lượng bổ sung. Con lắc và các hệ dao động thông thường cần năng lượng ban đầu hoặc năng lượng duy trì liên tục để dao động. Tinh thể thời gian phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian một cách tự phát, tạo ra dao động mà không cần năng lượng bên ngoài.

Làm thế nào để các nhà khoa học tạo ra tinh thể thời gian trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Tinh thể thời gian thường được tạo ra bằng cách sử dụng các hệ lượng tử nhiều vật thể và tác động lên chúng bằng các trường hoặc xung tuần hoàn. Ví dụ, tinh thể thời gian Floquet được tạo ra bằng cách chiếu xạ hệ thống bằng laser có cường độ thay đổi theo chu kỳ. Tinh thể thời gian rời rạc (DTC) được tạo ra bằng cách tác động một chuỗi xung tuần hoàn lên hệ spin.

Tại sao việc duy trì sự ổn định của tinh thể thời gian lại là một thách thức?

Trả lời: Nhiễu loạn từ môi trường, như dao động nhiệt hoặc tương tác với các hệ thống khác, có thể phá vỡ tính tuần hoàn thời gian của tinh thể thời gian. Việc cô lập hoàn toàn hệ thống khỏi môi trường là vô cùng khó khăn, dẫn đến thách thức trong việc duy trì dao động ổn định trong thời gian dài.

Định luật nhiệt động lực học thứ hai nói rằng entropy của một hệ cô lập luôn tăng theo thời gian. Vậy sự tồn tại của tinh thể thời gian, với dao động tuần hoàn dường như vĩnh cửu, có mâu thuẫn với định luật này không?

Trả lời: Không. Tinh thể thời gian không vi phạm định luật nhiệt động lực học thứ hai vì chúng tồn tại trong các hệ không cân bằng và được điều khiển bởi trường ngoài. Chính sự tương tác với trường ngoài này đã phá vỡ đối xứng dịch chuyển thời gian, tạo ra dao động tuần hoàn, chứ không phải do sự giảm entropy tự phát.

Ứng dụng tiềm năng nào của tinh thể thời gian được coi là hứa hẹn nhất và tại sao?

Trả lời: Một trong những ứng dụng tiềm năng hứa hẹn nhất của tinh thể thời gian là trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Tinh thể thời gian có thể được sử dụng để tạo ra các qubit ổn định hơn, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của máy tính lượng tử. Ngoài ra, khả năng đo lường thời gian cực kỳ chính xác của tinh thể thời gian cũng mở ra tiềm năng cho việc phát triển đồng hồ nguyên tử thế hệ mới với độ chính xác chưa từng có.