时间晶体确实存在,科学家都造出来了

作者:晴空飞燕/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-01-31

时间晶体不再仅仅是一种预测了。

时间晶体确实存在,科学家都造出来了

几个月以来,科学家们一直思索着这样一件事——他们可能终于创造了时间晶体。时间晶体具有特殊的原子结构,在时间和空间上都具有周期性。它们处于一种稳定的最低能量状态,能够在不需要能量的情况下维持振动。 

现在,这一发现已经成为了官方消息——研究人员详细解释了如何制作并且测量这种怪异的晶体。两组独立的科学研究团队声称,他们已经根据设计图在实验室环境下创造出时间晶体, 从而,确认了这一崭新物质形态的存在。 

这一发现听起来可能非常抽象,但它预示着物理学进入了一个新的阶段。毕竟,几十年来,我们一直在研究金属和绝缘体等被定义为“平衡态”的物质。 

但是,根据预测,宇宙中还存在着更多的处于非平衡态的奇异物质,我们还未能解开这些物质的谜团,时间晶体就是其中之一。现在,我们了解到,这些物质是真实存在的。 

事实上,首次发现非平衡态物质的存在不仅有助于我们了解周围的世界,也能帮助我们在量子计算等新技术领域取得突破性进展。 

来自加州大学伯克利分校的负责这一项目的研究员Norman Yao 说:“这是一种新的物质形态。这一形态非常了不起的原因在于,它是第一批非平衡态物质之一。” 

“在过去的半个世纪,我们一直在研究像金属和绝缘体这样处于平衡态的物质。现在,我们对非平衡态物质领域的探索才刚刚开始。这是一个全新的领域。”

这几年,时间晶体这一概念一直在科学家的脑海里盘旋。我们不妨来回顾一下时间晶体的研究发展。

2012年,理论物理学家及诺贝尔奖获得者Frank Wilczek首先预测了时间晶体的存在。他表示,即使是在能量最低的状态下,一般称为基态,时间晶体的结构也允许其维持运动。 

通常情况下,当一种物质处于基态,也就是系统的零点能量时,它在理论上是不可能运动的。因为,运动是需要耗能的。 

但Wilczek预测道,对于时间晶体而言,事实可能并非如此。

普通晶体是一种具有空间周期性的原子结构,比如金刚石晶格。但是,红宝石或金刚石都是静止的,因为在基态下它们处于平衡状态。 

然而,时间晶体不仅具有空间周期性,在时间上也具有周期性,这样它们在基态下就能够振动。 

把时间晶体想象成果冻吧,当你轻轻触碰果冻时,它会轻轻晃动。时间晶体也同样如此。但巨大的差异在于,时间晶体的运动不需要任何能量就可以发生。 

一块时间晶体在自然的基态下就像是一个不停晃动的果冻。这也是它成为一种新的物质形态的原因。作为一种非平衡态物质,时间晶体在基态下也会不断晃动,根本“停不下来”。

然而,确认这些时间晶体的存在是一回事,想要创造它们则是一件完全不同的事。这也是这项新研究的意义所在。 

Yao和他的团队推出了一份设计图,详细地描述如何制作时间晶体,并测量其性能。他们甚至还预测了时间晶体周围的各种物质形态——也就是说,他们勾勒出了普通晶体的固态、液态和气态分别对应时间晶体怎样的状态。 

目前,这一研究成果已经发表在《物理评论快报》上,Yao将这篇论文称为“理论物理和实验验证之间的桥梁”。 

时间晶体不再仅仅是一种预测了。根据Yao提供的设计图,两个分别来自马里兰大学和哈佛大学的独立的研究团队正在根据说明创建属于自己的时间晶体。

这两个团队将创建时间晶体的情况写成论文,并于去年年末在相关网站上发布了“预览版”。目前,论文已进入出版环节的同行评审阶段。在这两篇论文中,Yao都是合著者。 

因为论文还未能出版,我们还需要对这两个团队的成果持怀疑态度。但事实上,两个不同的团队确实使用了相同的蓝图在不同的系统中创造出了时间晶体。这是非常有前途的。 

马里兰大学的时间晶体是用10个镱离子排成一条长龙,电子自旋相互纠缠。 

时间晶体确实存在,科学家都造出来了

要把这些东西真正变成时间晶体的关键是让离子一直处在非平衡态。为了实现这一目的,研究人员必须不停地用两种激光轮流照射离子。一束激光的作用是创建磁场,而另一束激光负责部分改变原子的旋转方向。

因为,所有的原子在旋转时都是纠缠在一起的,这些原子就会处在一种稳定而重复的旋转反转状态,形成晶体。 

这是正常情况,但要创建时间晶体,系统就不得不打破时间对称性。通过观察排成长龙的镱离子,科学家发现了一些奇怪的事。

两束周期性轮流推动镱离子的激光每两个周期就会在系统中产生一次重复,这在正常的系统中是不可能发生的。 

“就好像是你轻轻摇动果冻,但不知为何,这块果冻在下一个不同的周期才会产生反应。这难道不奇怪吗?”Yao说。 

“但这就是时间晶体的特性。你在T周期内对系统进行周期性驱动,但是由于系统同步的问题,你可能会在大于T周期的时段才能观察到系统的振动。

在不同的磁场作用和激光脉冲下,时间晶体可能会像冰块融化那样改变形态。

时间晶体确实存在,科学家都造出来了

哈佛大学研究团队创造了不同的时间晶体。研究人员采用钻石中心区密实的氮空缺创建了时间晶体,但所获得的结果是相似的。

“在两种完全分离的系统中得到如此相似的结果表明:时间晶体是一种完全不同的物质形态,而不仅仅是某些狭小的特定体系中因为好奇心而观察到的现象。”来自印第安纳大学的Phil Richerme解释说。他并未参与和论文相关的研究。 

对离散时间晶体的观察确认了我们可以在所有的自然范围内打破对称性,这对部分新研究有所帮助。 

Yao的设计图已经发表在《物理评论快讯》上,同时哈佛大学和马里兰大学有关时间晶体的研究也可在互联网上查阅。 

在此,我们更正2017年1月31日的说法:此前,我们将时间晶体的不断振动看作是一种处于基态下的永恒运动,这种说法是不准确的。特此更正。 


蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 晴空飞燕,转载须授权 

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