科学家揭示时间新秩序：神秘“轮舞”晶体现身

在一项新的研究中，发表在自然物理学上，研究人员首次实验观察到时间轮舞晶体——一种新型物质相，其中长程时间序列与短时间无序共存。

这个名字是源于古典音乐形式，其中重复的主题与对比的变奏交替（如莫扎特的《土耳其进行曲》），时间轮舞晶体在特定测量时间表现出完美的周期性行为，同时在这些间隔之间显示出可控的随机波动。

加州大学伯克利分校应用科学与技术专业的博士生、该研究的共同作者莱奥·穆恩解释道：“这项研究的动机源于秩序与变化在艺术和自然中的共存。由于其简单性，早期艺术形式自然产生重复的周期性图案，而更高级的音乐和诗歌则在单调的背景上构建复杂的变奏。”

这个类比不仅限于美学和艺术。即使是熟悉的物质如冰也展现了这种二元性——氧原子形成晶体格，而氢核则保持随机排列。同样，过去十年发现的时间晶体通过表现出长寿命的周期性振荡打破了时间平移对称性。

然而，直到现在，对非周期性时间秩序的探索主要集中在确定性模式上，如准晶体。Rondeau 晶体是首个将闪烁秩序与可控随机无序结合在一起的晶体。

创造一种新型物质相

研究人员使用碳-13核自旋在钻石中作为量子模拟器。该系统由在室温下随机定位的核自旋组成，通过长程偶极-偶极耦合相互作用。

研究人员首先利用氮空位（NV）中心的技术对碳-13核自旋进行超极化，这些氮空位中心是钻石中的缺陷，其中一个氮原子位于一个空的晶格位置旁边。

当用激光照射时，这些NV中心会变得自旋极化，这种极化可以通过微波脉冲转移到周围的核自旋上。这个过程持续60秒，将核自旋极化提高到接近其热平衡值的1000倍，产生了一个可以长时间跟踪的强信号。

随后，应用了复杂的微波脉冲序列，将保护性的“自旋锁定”脉冲与经过精确时机安排的极化翻转脉冲相结合。这种结构化但部分随机的驱动模式创造了轮奏秩序。

研究人员采用了一种新的控制系统，该系统使用具有广泛序列记忆的任意波形发生器。这意味着该系统在一次运行中可以执行超过720种不同的脉冲，这对于创建结构化但非周期性的驱动以在晶体中生成轮奏秩序至关重要。

Moon说：“含有碳-13核自旋的钻石晶格是探索这些奇异时间相位的理想环境，因为它自然结合了稳定性、强相互作用和易于读取信号。” “钻石本身非常稳定——它不会发生化学反应，对温度变化不敏感，并且能很好地屏蔽外部噪声。”

研究人员部署了他们所称的随机多极驱动（RMD）。这些是结构化的序列，随机性可以被系统控制。

在驱动周期的规律性间隔中，核自旋以确定性方式翻转其极化，展现出时间晶体特有的周期性特征。但在这些规律性测量之间，极化随机波动，没有显示出可预测的模式。这种可预测的长程有序和随机短时间波动的共存，正是 rondeau 有序的标志。

确凿的证据

研究团队观察到这种 rondeau 有序持续存在超过 170 个周期，持续了超过四秒。

动力学的离散傅里叶变换为新相提供了证据。与传统的离散时间晶体不同，后者在频谱中显示出一个尖锐的单一峰值，而时间 rondeau 晶体在所有频率上则展现出平滑、连续的分布。

这种“确凿的证据”特征确认了时间有序和无序的共存。

Moon 说：“Rondeau 有序表明有序和无序不必是对立的——它们实际上可以在一个稳定的驱动量子系统中共存。”

研究人员成功控制了系统的行为。通过调整驱动参数，他们能够绘制出 rondeau 有序稳定性的详细相图。通过调整驱动周期和脉冲缺陷，可以调节系统的寿命。加热速率遵循预测的二次和线性缩放规律。

拓展领域

团队还展示了信息可以被编码在时间的无序状态中。

通过设计特定的驱动脉冲序列，他们将论文标题“时间圆舞曲晶体的实验观察：时空秩序中的时间无序”编码到核自旋的微运动动态中，存储了超过190个字符。

换句话说，信息不是存储在空间中，而是存储在时间中，编码在自旋在每个周期特定时刻是指向上还是指向下。

Moon说：“目前还没有直接、简单的应用，但这个想法本身就很迷人：非周期性驱动中的无序实际上可以在保持长期秩序的同时存储信息。这有点像水和冰的类比：冰的氧原子位置是有序的，但氢键是无序的，而这种局部的随机性携带着结构信息。”

研究人员建议，无序的可调性可能使这个平台在设计对特定频率范围敏感的量子传感器时更具吸引力。

这项工作拓宽了对非平衡时间秩序的观察视野，超越了传统的时间晶体。使用相同的实验平台，团队还展示了与确定性非周期驱动相关的现象，包括Thue-Morse序列和斐波那契序列，实验上实现了时间非周期晶体、时间准晶体以及圆舞曲秩序。

展望未来，Moon提到团队正在探索超越钻石的替代材料平台，包括掺五烯的分子晶体，其中氢-1核自旋能够提供更高的灵敏度。

“在更实际的应用方面，利用这些系统中的可调无序可能为实用的量子传感器或利用时间域的稳定性来开发存储设备铺平道路，”Moon指出。

本文由我们的作者 Tejasri Gururaj 撰写，Lisa Lock 编辑，Robert Egan 进行事实核查和审阅——这篇文章是经过仔细人工编辑的结果。我们需要像您这样的读者来支持独立的科学新闻。如果您觉得这篇报道有价值，请考虑支持我们（特别是每月捐赠）。