手性液晶中马约拉纳类准粒子的涌现离散时空晶体

像时钟一样跳动的图样

晶体通常被理解为空间上的重复结构，比如钻石中的原子排列。在这项工作中，科学家们探讨了一个更奇特的想法：材料也能在时间上形成重复图样，在受到周期性外部信号推动时以自身节奏“滴答”作响。他们表明，一种常见的显示材料——液晶，在普通的实验装置中也能形成这样的“时间晶体”，揭示了物质在空间和时间上组织的新方式。

在非常规驱动下的日常液晶

液晶已经驱动了大多数平板显示器，在那里电场会温和地重取向其棒状分子。这里，研究者使用了一种手性（有扭曲）的液晶，掺杂有带电分子，并将其限制在作为透明电极的两块玻璃板之间。与恒定或平滑变化的电压不同，他们施加的是一种重复的锯齿形电信号，称为 Floquet 驱动。在显微镜下，样品并非简单地变亮或变暗。相反，它自发形成条纹或晶格状的彩色图样，这些图样在空间上定期重复，而其外观随时间有节律地变化。

跳过每隔一次节拍的体系

通过记录透射光的视频并逐像素分析颜色，团队发现液晶进入了一种新的有序状态。驱动电压有一个基本周期，但可见图样要在两个驱动周期后才回到完全相同的状态。这种“周期倍增”意味着材料打破了外加信号的简单时间重复，创造了自身更慢的时钟。与此同时，空间上相邻的明亮区域往往以相反的方式运动和变化，在样品内以及相邻周期之间形成类似反铁磁的交替。这些行为使体系成为一个离散的时空晶体：在空间和时间上都有序，但并非仅仅盲从外部节律。

像粒子一样微小的缺陷

为了理解液晶内部的运动与变化，作者将实验与详细的计算机模拟结合起来。扭曲的材料天然地包含狭窄的壁和线状缺陷，在这些区域分子的局部取向不明确或严重扭曲。在时晶态中，这些缺陷以重复的链状出现，其形状和连接在电压从负到正再回到负的过程中平滑变化。成对的此类缺陷由畴壁连接，表现得像粒子与反粒子伴侣：它们可以连续互变、相互湮灭，然后在半个周期后以半个格点位移的方式重新出现。由于这些缺陷轮廓遵循与量子物理中难以捉摸的马约拉纳粒子类似的数学规则，作者将它们描述为经典液晶中的马约拉纳类准粒子。

稳健的滴答与丰富的相行为

时间晶体图样并不需要精细调参。研究者绘制了随温度、脉冲电压强度、驱动周期、样品厚度以及液晶固有扭曲程度变化时这些图样如何出现和消失的相图。他们发现广泛的参数区域中，一维条纹状时晶和二维晶格状时晶是稳定的，并与普通相和无序相分离。形成后，这些图样在局部可以持续数小时，并在数万到数十万个驱动周期内保持，能经受电脉冲定时的随机波动，甚至在用聚焦激光束引入缺陷后依然恢复。在厚样品且扭曲更强的情况下，团队还观察到准六边形图样，其内部时序并不以驱动为简单的整数倍，暗示存在更奇特的“分数”时晶。

这种新秩序为何重要

这项研究表明，时晶行为并非仅限于脆弱的量子器件，而可以出现在我们日常技术中熟悉的柔软经典材料中。在这些液晶中，局域化的缺陷结构作为构建模块，自我排列成在空间和时间上重复的有序图样。由于这些结构可重构且稳健，它们可能成为新型光学元件的基础，以可编程的节律引导或调制光。更广泛地说，结果支持了这样一种观点：在被驱动的开放体系中，同时破缺空间与时间对称性是一种常见的可能性，拓展了我们关于物质在远离平衡状态时如何组织自己的认识。

引用: Zhao, H., Zhang, R. & Smalyukh, I.I. Emergent discrete space-time crystal of Majorana-like quasiparticles in chiral liquid crystals. Nat Commun 17, 4376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70880-8

关键词: 时间晶体, 液晶, 拓扑缺陷, Floquet 驱动, 马约拉纳类准粒子