一种特殊的时间晶体

假如你能站在一个晶体内部，你会发现无论你站在任何一点上，晶体看起来都完全一样。这是因为，晶体中的原子在空间中是以重复的方式排列的。

2012年，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）提出了一个问题：晶体的这种空间顺序，是否也可能存在一种时间版本，即时间晶体？

根据维尔切克的预言，处于时间晶体相的物理系统，会在时间尺度上不断地遵循这种自我重复模式，并且它可以在没有向系统施予任何特定的节奏，而且粒子之间的相互作用也完全独立于时间的情况下，自发地涌现出一种周期性的节奏。

然而多年来，维尔切克的这一提议引起了很多争议。众多的理论研究表明，连续的时间晶体，很难稳定地在处于平衡态的系统中实现。

现在，在一项于近期发表在《自然·物理》杂志的研究中，来自清华大学和维也纳大学的物理学家就取得了突破性进展。他们利用激光和一类特殊的原子，制造出了一种令人惊叹的时间晶体，观测到了持续且稳定地时间晶体信号。‍‍

对称性自发破缺

对称性破缺是普通晶体的一个关键特性。我们能以用液态水为例，来理解什么是对称性破缺。

在水滴中，分子可以自由移动，它们可以存在于液体中的任何地方。因此，液体在任何方向看起来都是一样的，这意味着它的对称度很高。当水冻结成冰，分子间的吸引力会迫使它们重新排列成晶体，而在晶体中，分子会以一定的间隔排列。这种规律性的排列意味着晶体不能像液体那样对称，因此我们说，液体的对称性在冻结成冰时被打破了。

维尔切克就是依据对称性破却这一特性，而创造出时间晶体的概念的。他提出，我们是否能以晶体在空间尺度上打破对称性的方式，在时间尺度中打破对称性，从而创造出与之等价的时间晶体？

时钟的滴答声是时间周期性运动的一个例子。然而，它并不会自动发生，必须要有人给时钟上了发条，并在某个时刻启动它，它才会开始运转。这个开始时间决定了滴答声的时间。这明显有别于时间晶体的特性，因为根据维尔切克的预言，时间晶体中的周期性应该是自发产生的，即便实际上不同的时间点之间没有物理差异。

在新研究中，维也纳大学的理论物理学家指出，时钟发出滴答声的频率虽然是由系统本身的物理特性预先决定的，但滴答声发生的时间完全是随机的，这就是所谓的对称性自发破缺。

巨大的原子

在这一理论的基础上，清华大学的研究人员进行了一项实验。他们将激光照射到一个充满铷原子气体的玻璃容器中，然后测量了抵达容器另一端的光信号强度。

实验所使用的是非常特殊类型的原子，即里德伯原子（Rydberg atoms），其直径比常规原子大数百倍。这些原子的电子可以根据它们的能量大小以不同的路径绕原子核运行。如果给原子最外层的电子施加能量，那么它离原子核的距离就会变得更大。在极端情况下，这个距离可以达到平时的数百倍。

通过这种方式，研究人员制备了这些拥有巨大电子壳层的里德伯原子，并将这些里德伯原子气体限制在一个室温环境下的玻璃容器中。

实验装置图。（图/tuwien.at）

当玻璃容器中的原子以里德伯态制备，并且它们的直径变得巨大时，这些原子之间的力也会变得非常大。这反过来又会改变它们与激光相互作用的方式。

如果选择的激光可以同时激发每个原子的两个不同的里德伯态，那么就会产生一个反馈回路，导致两个原子态之间出现自发的振荡。这反过来也会导致振荡的光吸收。这意味着，这些巨大的原子自发地形成了一个有规律的节奏，而这个节奏会被转化为抵达玻璃容器另一端的光强度振荡。

这实际上是一个静态实验，它并没有向系统施加特定的节奏。光和原子之间的相互作用总是相同的，激光束具有恒定的强度。但令人惊讶的是，抵达玻璃容器另一端的强度会开始以高度规则的模式振荡，并且振荡幅度在观测时间内没有出现任何衰减。‍

连续时间晶体

这样的实验结果表明，研究人员通过光子传输的持续振荡，揭示了涌现的时间晶体。振荡的非衰减自相关性，以及对时间噪声具有很好的抗干扰性则表明，他们创建了真正的长程时间序，证明了连续时间晶体的实现。

换言之，研究人员就创造了一个新的系统，它提供了一个强大的平台，以一种非常接近维尔切克最初想法的方式，加深我们对时间晶体现象的理解。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/ein-zeit-kristall-aus-riesenatomen

https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1248/6010.htm

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9

#图片来源：

封面图&首图：tuwien.at