物理学家在钻石内部弯曲时间 创造出一种全新的物质阶段

华盛顿大学的物理学家通过创造一种被称为"时间晶体"和更先进的"时间准晶体"的新物质阶段，在量子力学领域取得了突破性进展。这些突破性的材料通过保持永恒运动而打破了传统物理学，并通过提供一种稳定、节能的测量时间和存储量子信息的方法，为量子计算和精确计时带来了革命性的变革。

圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis，WashU）的物理学家们创造出了一种新型时间晶体，这种独特的物质相挑战了人们对运动和时间的传统理解。

研究小组成员包括查尔斯-M-霍恩伯格物理学教授凯特-默奇（Kater Murch）、物理学助理教授祖冲之，以及研究生何光辉、龚若天、姚昌宇和刘中原。 其他合作者还包括麻省理工学院的叶炳添和哈佛大学的姚诺曼。 他们的研究成果于3月12日发表在物理评论X上，该杂志是该领域的权威期刊。

在与The Ampersand的讨论中，Zu、He和Ye分享了他们对突破的见解，以及这对量子科学未来的意义。

华盛顿大学物理学家用微波激光照射一大块钻石，制造出时间准晶体，这是一种能在时间和空间中重复精确模式的新物质。 资料来源：圣路易斯华盛顿大学祖冲之实验室

要了解时间晶体，不妨先想想我们熟悉的晶体，如钻石或石英。 这些矿物的形状和光泽得益于它们高度有序的结构。 钻石中的碳原子相互作用，形成重复的、可预测的图案。

祖解释说，就像普通晶体中的原子在空间中重复图案一样，时间晶体中的粒子也会随着时间的推移重复图案。 换句话说，它们以恒定的频率振动或"滴答"，使它们在四个维度中晶莹剔透：三个物理维度加上时间维度。

时间晶体就像一个无需上发条或电池的时钟。Zu说："从理论上讲，它应该可以永远运转下去。 实际上，时间晶体很脆弱，对环境很敏感。我们能够在晶体破裂前观察到数百个周期，这令人印象深刻。"

时间晶体已经存在了一段时间；第一块时间晶体是 2016 年在马里兰大学创造的。 华盛顿大学领导的团队更进一步，制造出了更不可思议的东西：时间准晶体。这是物质的一个全新阶段。

在材料科学领域，准晶体是最近发现的一种物质，尽管其原子在每个维度上都不遵循相同的模式，但却具有高度的组织性。 论文的第一作者贺建奎解释说，同样，时间准晶体的不同维度以不同的频率振动。 节奏非常精确，组织性很强，但它更像和弦，而不是单个音符。他说："我们相信，我们是第一个制造出真正的时间准晶体的小组。"

时间准晶体的制造和应用

研究小组在一小块毫米大小的钻石中制造出了准晶体。 然后，他们用足以击毁碳原子的氮气束轰击钻石，留下原子大小的空白空间。 电子移入这些空间，每个电子与其相邻的电子发生量子级的相互作用。 Zu 及其同事使用类似的方法制造了量子钻石显微镜。

时间准晶体是由钻石中超过一百万个这样的空位组成的。 每个准晶体的直径大约为一微米（千分之一毫米），太小了，没有显微镜根本无法看到。"我们使用微波脉冲来启动时间准晶体的节律，"Ye 说。"微波有助于建立时间秩序。"

时间晶体和准晶体的存在本身就证实了量子力学的一些基本理论，因此它们在这方面是有用的。 但它们也可能有实际应用。 由于时间晶体对磁力等量子力很敏感，因此可以用作无需充电的长效量子传感器。

时间晶体还为精确计时提供了一条新途径。 手表和电子产品中的石英晶体振荡器容易漂移，需要校准。 相比之下，时间晶体能以最小的能量损失保持稳定的滴答声。 时间准晶体传感器有可能同时测量多个频率，从而更全面地了解量子材料的寿命。 首先，研究人员需要更好地了解如何读取和跟踪信号。 他们还不能用时间晶体精确地报时；他们只能让时间晶体滴答作响。

由于时间晶体理论上可以永远滴答作响而不会损失能量，因此人们对利用其能量制造量子计算机产生了浓厚的兴趣。它们可以长时间存储量子记忆，本质上就像RAM的量子类似物。我们离这种技术还有很长的路要走，但创造出时间准晶体是关键的第一步。

编译自/ScitechDaily