“Tinh thể thời gian là gì?” tôi bắt đầu cuộc trao đổi với nhóm sinh viên sau đại học từ Đại học Harvard gồm Soonwon Choi, Joonhee Choi và nghiên cứu viên tiến sĩ Renate Landig. Cả 3 cùng bật cười. “Một câu hỏi rất thú vị,” Soonwon cất lời. Tinh thể thời gian –  cái tên khoa học viễn tưởng đầy ngờ nghệch ấy đã che mờ tính chất cơ học lượng tử ẩn sâu trong nó. Đôi khi, một cái tên đơn giản chỉ là cách nói giản lược nhất để mô tả một thứ gì đó vốn phức tạp hơn gấp nhiều lần so với những gì chúng ta có thể tưởng tượng được.

Báo cáo của hai nhóm nghiên cứu chỉ ra  rằng họ đã quan sát được những tinh thể thời gian độc đáo, những hệ thống nguyên tử với khả năng tự sắp xếp chính mình, hay “tinh thể hoá” trong thời gian, giống như cách mà các chất rắn có thể tinh thể hoá trong không gian. Sự sắp xếp nguyên tử hoàn toàn khác thường này không phải là những cỗ máy chuyển động vĩnh viễn, vũ khí, hay thiết bị du hành thời gian – nhưng những biểu hiện kì lạ của chúng đã cho chúng ta thấy một loại chất liệu hoàn toàn mới với các tính chất không giống bất kỳ chất rắn, lỏng hay khí nào bạn từng gặp.

“Những thí nghiệm choáng ngợp này mở ra một thể vật chất mới đầy thú vị,” Frank Wilczek, nhà vật lý lý thuyết tại MIT và người nhận giải Nobel Vật lý năm 2004, nói với Gizmodo. Wilczek đề xuất ý tưởng tinh thể thời gian vào năm 2012, khi tự hỏi rằng liệu việc một số chất thay đổi trong thời gian, thay vì trong không gian, có thể tạo ra các thể vật chất mới. Ông nói, “những phát hiện này… chính là sự tiếp nối những ý tưởng ban đầu của tôi.“

Các quy luật vật lý tràn đầy sự đối xứng – những trường hợp khi một hành động được thực hiện sẽ luôn dẫn tới cùng một phản ứng trong một môi trường khác. Nếu bạn đấm vào bức tường với các lực tương tự, bạn sẽ thấy đau như nhau, bất kể bạn đấm vào đâu trên bức tường, hay thời điểm mà bạn đấm – đấy  là sự đối xứng tịnh tiến (translation symmetry) trong không gian và thời gian. Một số sự đối xứng có thể bị phá hỏng. Tinh thể, một loại chất rắn mà trong đó các hạt sắp xếp theo một mạng lưới, phá vỡ sự đối xứng tịnh tiến trong không gian, vì những phân tử này muốn có một chỗ cụ thể trong không gian. Nếu bạn có một hàng rào cọc thay vì một bức tường rắn chắc, điều đó có thể sẽ phá vỡ sự đối xứng tịnh tiến trong không gian, vì việc đấm vào một cái cọc tạo cảm giác hoàn toàn khác so với việc đấm vào không gian giữa những chiếc cọc đó.

Ý tưởng của Wilczek rất đơn giản: Các phân tử có thể phá vỡ sự đối xứng tịnh tiến trong thời gian hay không? Liệu một số chất rắn có thể tinh thể hoá theo thời gian, thay đổi thể vật chất của mình ở những khung thời gian khác nhau? Câu hỏi đó giờ trở thành: Một nhóm các nguyên tử liệu có sở hữu một số hành vi có tính chu kỳ ở nhịp độ yêu thích riêng? Điều này sẽ giống những con ve sầu 17 năm (17-year cicadas) – chúng có thể đến mỗi năm, nhưng thay vào đó chúng phá vỡ sự đối xứng tịnh tiến thời gian, vì chúng xuất hiện vào năm thứ 17 thay vì xuất hiện hàng năm.

Vào năm 2014, nhà vật lý học Haruki Watanabe và Masaki Oshikawa từ Đại học Tokyo đã nhận ra rằng, không, chắc sẽ không có tinh thể thời gian, ít nhất là theo cách Wilczek đã định nghĩa chúng. Hai năm sau, các nhà vật lý học gồm Shivaji Sondhi từ Đại học Princeton và Chetan Nayak từ Đại học California tại Santa Barbara đã minh hoạ rằng tinh thể thời gian có lẽ thực sự tồn tại nếu bạn thay đổi các luật lệ một chút – ví dụ như bằng cách hích các nguyên tử theo chu kỳ. Nhà vật lý học Norman Yao tại Đại học California tại Berkeley đã phác thảo một bản kế hoạch những gì cần phải đo đạc để có thể thuyết phục các nhà nghiên cứu rằng họ đã tạo ra một tinh thể thời gian. Cả hai phát hiện đều đã được chia sẻ dưới dạng  bản thảo tiền xuất bản (preprint) vài tuần trước, và giờ chúng đang được bình duyệt (peer review).

Điều bất ngờ về tinh thể thời gian là sự ổn định của nó,” Yao nói với Gizmodo. Tinh thể thời gian sẽ cần phải “thích” một tần số rung động cụ thể nào đó khác với tần số của những cú hích chu kì. Sau vài cú hích, tần số rung động nó “thích” không thay đổi.

Đây là báo cáo của các nhóm nghiên cứu trên tạp chí “Nature”. Các hạt có một tính chất lượng tử cơ học vốn có là chiều quay từ tính riêng (spin), đại lượng liên quan tới từ tính, mà trong trường hợp của những tinh thể thời gian này, có hai giá trị khác nhau. Các giá trị đều thẳng hàng, quay lên hoặc xuống theo một nhịp độ cụ thể. Để hình dung về sự tồn tại của tinh thể thời gian, bạn chưa cần phải hiểu thật tường tận về momen động lượng của spin. Ở mức độ cơ bản nhất – hãy cứ nghĩ đến mỗi hạt như là một khán giả đang xem trận đấu thể thao và giơ một biển hiệu. Nếu tất cả đều giơ mặt A, tất cả các biển sẽ tạo thành một câu, và nếu chúng giơ mặt B thì tạo thành câu khác. Nếu không, tất cả sẽ chỉ là một mớ hỗn độn.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Maryland đã xếp 10 ion ytterbium1 bị bẫy thành một hàng và chiếu những xung laser tuần hoàn vào chúng với mục tiêu lật ngược hầu hết, nhưng không phải tất cả, chiều quay của những ion đó. Sau khi được chiếu, spin của tất cả những hạt này có giá trị không đổi nhưng chiều của chúng đều bị đảo ngược. Tất cả các ion cứ tiếp tục lật lên lật xuống như vậy rồi sắp thành hàng với tốc độ bằng một nửa tốc độ của xung laser. Nếu nhóm nghiên cứu thay đổi tần số của xung laser một chút, mười ion này vẫn giữ nguyên chu kỳ (đảo spin), mặc dù trực giác mách bảo rằng sự chuyển động tuần hoàn của tinh thể thời gian sẽ dần biến mất. Thay vào đó, chúng thích việc diễu hành theo nhịp trống của chính mình.

Thiết kế thí nghiệm của nhóm từ đại học Harvard có chút khác. Họ nạp vào mạng lưới carbon thông thường của kim cương với tạp chất là nguyên tử nitrogen – thật nhiều tạp chất tới mức kim cương biến thành màu đen. Tinh thể của họ cũng cần phải có một xung lực tác động, trong trường hợp này là một trường vi sóng, và họ cũng quan sát được sự đổi hướng quay của những tạp chất này trong một khoảng thời gian dài hơn, khớp vào vị trí của chúng theo một tần số thấp hơn tần số của lực tác động. Điều này làm cho kim cương phát sáng, giống như ảnh ở bên dưới. Hệ thống của họ cũng phức tạp đến mức lý thuyết không hoàn toàn giải thích được hết hành vi của chúng, Soonwon Choi nói.

“Cả hai hệ thống đều rất thú vị. Chúng hơi khác nhau,” Yao chia sẻ. “Tôi nghĩ chúng bổ trợ cho nhau một cách hoàn mỹ. Tôi không nghĩ cái nào tốt hơn cái nào. Hai nghiên cứu này tập trung vào hai phần khác nhau của vật lý. Việc bạn đang nhìn thấy hiện tượng tương tự ở hai hệ thống hoàn toàn khác nhau này thật sự rất tuyệt vời.”

Tinh thể có thể muốn nhịp điệu thay đổi sự quay (spin-switching) của nó, nhưng sức ảnh hưởng chắc chắn sẽ không kéo dài mãi mãi. Tinh thể thời gian không thể tồn tại nếu thiếu nhịp năng lượng liên tục truyền vào để thúc các hạt nguyên tử sắp xếp trong thời gian. “Nó không phải là một cỗ máy vận động vĩnh cửu,” Jiehang Zhang từ Đại học Maryland nói với Gizmodo. “Chúng tôi thật sự đang điều khiển nó!”

Nếu bạn vẫn hơi khó hiểu, Yao có cách giải thích thú vị: Nếu bạn đang nhảy dây, bạn mong đợi một vòng quay mỗi khi tay người cầm dây quay. Những tinh thể thời gian này đã có được bộ não của riêng chúng – dây nhảy tạo ra một vòng quay đủ, hay là một vòng xoay tròn đủ, với mỗi hai lần tay bạn xoay. Hơn nữa, Zhang giải thích, đẩy chiếc dây này một chút sẽ không dừng hay thay đổi sự xoay tròn ổn định đó.

Nayak đồng ý rằng cả hai nhóm đã đưa ra dẫn chứng về tinh thể mà anh và những người khác đã đưa ra giả thuyết, nhưng chúng ta vẫn cần phải nghiên cứu thêm về sự ổn định của những tinh thể này. “Kết quả tổng hợp từ hai nhóm nhấn mạnh sự cần thiết phải có những thí nghiệm cho thấy được rằng sự dao động vẫn sẽ giữ ổn định trong khoảng thời gian dài,” ông viết trong một bài báo trên mục News & Views của tờ Nature, “và không bị mất đi bởi các biến động không thể tránh khỏi.”

Giờ bạn đã biết tinh thể thời gian là gì, ý nghĩ đầu tiên của bạn chắc chắn sẽ là “thế thôi á? Thế thì có gì thú vị?” (“Ngày kia trong một trò chơi tôi thấy một tinh thể thời gian biến thành một vũ khí,” Landig nói). Soonwon ngay lập tức nói về những ứng dụng tính toán lượng tử tiềm năng trong tương lai xa, điều khiển nhiều phần lượng tử cùng một lúc. Tuy vậy, sự quan trọng của nó chắc chắn mang tính căn bản hơn thế. Các thể vật chất thường chỉ tồn tại thông qua việc thay đổi cách các hạt được sắp xếp trong không gian. Các tinh thể thời gian mở ra một thế giới mới với những thể vật chất mới bằng cách thêm những nhịp laser hay vi sóng – những thể mà chỉ tồn tại khi bạn đang làm điều gì đó với chất rắn, giống như một phiên bản vật lý lượng tử của việc bột ngô và nước chỉ cảm giác giống chất rắn khi bạn đập nó.

“Nó cho thấy rằng sự giàu có của những trạng thái vật chất rộng hơn nhiều so với những gì chúng ta nghĩ,” Yao nói. “Một trong những “chén thánh” (holy grails) của vật lý là hiểu được những loại vật chất nào có thể tồn tại trong thiên nhiên.” Chúng ta có nhiều vật liệu lạ như là chất siêu dẫn và chất siêu lỏng, nhưng “những thể vật chất không cân bằng” như tinh thể thời gian “đại diện cho một lĩnh vực mới khác với tất cả những gì chúng ta từng nghiên cứu trong quá khứ.”