物理學家首次製造出時間晶體，揭開經典對稱性最後一塊面紗

說到晶體，大家最容易想到的便是鑽石，這些閃爍奪目的石頭是由不計其數的碳原子有序重複排列而成的。而對於物理學家而言，晶體與宇宙中的一項基本性質對稱性有關。

宇宙中所有自然形成的和人造出來的晶體都不同程度地打破了空間對稱性，而現在又有一種新型晶體被人類造了出來，它除了滿足一般晶體的特徵外，還打破了時間維度上的對稱性，這就是時間晶體（time crystals ）。在這種全新的晶體里，晶格將會在時間這個維度上進行有序重複。

至此，經典對稱性最後一塊面紗——時間對稱——終於被人類揭開，這是物理學上的一項重大成果。

物理學家曾希望通過離子阱」來創造時間晶體」，這是一種在不消耗能量的前提下，以固定模式運動的物質。

儘管如同石墨烯最初一般，時間晶體到底有些什麼應用現在還並不明確。但至少有一點是肯定的，時間晶體的超級穩定性可以作為對抗退相干效應的有力武器，來保證一個量子態的壽命。如果量子態可以被強化，它還可用作製造更穩定的量子計算機內存，和進行更精確的測量。

時間晶體

2016 年 8 月，arXiv上面放出了一篇文章聲稱時間晶體是可行的！該文剛剛在上周的物理評論快報上發表，作者是加州大學伯克利分校物理系的助理教授Norman Yao。在這篇論文中，Norman Yao詳細描述了受到外部驅動的時間晶體所具有的性質：基態呈現周期性，且為驅動周期的整數倍，周期穩定，有清晰的相變邊界。

他還提出了製備時間晶體的具體方案。在他的方案中，由加州大學伯克利領導的團隊會製造一個只有頭髮絲十分之一細的微小陷阱」，然後將100鈣離子注入到這個陷阱中，庫侖作用會讓這100個離子均勻地散開到陷阱的邊上。此時經過激光冷卻後的離子都處於基態，然後研究人員會開啟一個靜磁場，根據Yao的理論，鈣離子環會在磁場中開始轉動（而且會永久地轉下去）。如果一切順利，這些離子每隔一段時間就會回到最初的位置上，從而形成一個個在時間上重複排列的晶格」，時間對稱性由此被打破。

Norman Yao

很快，兩個研究團隊就依照Norman Yao所描繪的藍圖分別製造出了他們的第一個時間晶體，使用的是完全不同的設備。這兩個來自馬里蘭大學和哈佛大學的團隊分別在網上公布了他們的成果並提交發表，Norman Yao是這兩篇論文的共同作者。

時間晶體之所以在時間上不斷重複是因為它們受到了一種周期性的衝力，就像不斷地彈一塊果凍讓它周期性晃動一樣。Norman Yao解釋說，這裡面最大的突破，與其說是這些晶體做到了在時間上周期性重複」，倒不如說是我們第一次大規模製造出了非平衡態的新材料。它們的基態永不停歇，無法像鑽石或者紅寶石那樣回到相對靜止的平衡態。

這是一種新的物質狀態，僅此而已。但它同樣酷的地方在於這是第一個非平衡態的物質狀態」，Norman Yao說，在過去的半個世紀里，我們一直在研究平衡態的物質，比如金屬和絕緣體，而今天我們將開始探索非平衡態物質的奇妙世界。」

加州大學伯克利分校的時間晶體實驗說明：通過電場將鈣離子圍繞在一個100微米寬的陷阱」中，使它們形成晶體圓環。科學家們相信，靜磁場會使圓環轉動。

不被看好的發現

那麼為什麼時間對稱性如此難以打破呢？這還要從晶體與對稱性破缺來說起。

眾所周知，自然法則本身都是滿足對稱性的。在平地上做力學實驗，和在一列高速行駛的列車上做的實驗得到的結果是相同的，昨天和今天做相同的實驗得到的結果也是相同的，因為力學原理滿足空間平移對稱性和時間平移對稱性。此外，還有旋轉對稱性和反轉對稱性等。

對稱性體現了自然的美與和諧，但是物理體系的穩定狀態（基態）卻不是對稱的。舉個簡單的例子，在桌子上豎起一支鉛筆，理論上鉛筆受到的重力垂直向下，在水平面上是對稱，也就是說鉛筆向任意一個方向倒下的概率相等。這時候鉛筆的狀態體滿足對稱性。

然而，豎立並不是鉛筆能量最低的狀態，當一個微小擾動出現，它只能選擇一個方向倒下。鉛筆倒下的狀態能量最低（即基態），也沒有了對稱性。更一般的來講，晶體便是一個打破對稱性的極佳例子，在不同的方向上看晶體，看到的是不同的樣子。這種自然法則對稱而物質狀態不對稱的現象叫做自發對稱性破缺。

既然空間對稱性可以被打破，那麼時間對稱性為什麼不能呢？

Frank Wilczek

2012年，諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek 提出了這個問題。同年他在Physics ReviewLetters上面發表了兩篇論文，分別闡述了經典力學和量子力學下的時間對稱性破缺的可能性。

簡單來說，就是通過一種特殊方式，可以讓物質的基態處於一種周期中。對應於晶體結構在空間上的周期排列，這種材料在時間上也是周期排列」的，他給這種材料取了個很形象的名字——時間晶體。值得注意的是，一般晶體在時間這個維度上是連續分布的，在任何一個時刻觀察它們都會看到同樣的晶體，而時間晶體在不同的時間卻有著不同的基態。

問題是對稱的，解決方案不對稱；自然法則是對稱的，物質受法則支配的狀態不對稱，這就是自發對稱性破缺。

在之後的幾年裡，很多物理學家對時間晶體的存在依舊持反對態度，因為他們認為，時間晶體必然會引發時間維度上的對稱性破缺，而這是不可能的。雖然周期現象在我們的生活中無處不在（鐘錶，地球自轉等等），但還無法證明任何一種物質的基態可以在光溜溜的時間軸上打上周期的烙印。

時間晶體的本質

根據UC Berkeley 物理學家Norman Yao的藍圖，馬里蘭大學的物理學家第一次用一維的鐿離子鏈造出了時間晶體。每一個離子都像電子那樣擁有自旋，它們之間的長程作用力如圖中箭頭所指。

依照Norman Yao的藍圖，馬里蘭大學的Chris Monroe和他的同事在2016年9月用10個鐿離子構建了一條鏈，這10個鐿離子像電子一樣具有自旋。也就是說，它們不再各向同性，而是像箭頭一樣會指向一個特定的方向，並且這些帶有自旋的離子在磁場中會發生相互作用。

研究人員用兩束精確調製的激光脈衝交替照射鐿離子鏈。其中一個脈衝使鐿離子的自旋翻轉（比如從向上到向下，或者相反），然後緊接著第二個脈衝產生的磁場使其進入混亂的狀態，隨後又一個脈衝使它們再翻轉方向，如此往複。

研究人員發現自旋的翻轉周期穩定在了驅動周期（T）的2倍長度（2T）。神奇的是，雖然每一次的翻轉脈衝完全一樣，但鐿離子們卻自發地偏向了一個與上一個方向不同的方向，而不是選擇回去；更神奇的是，即使中途稍微改變一下脈衝的頻率，鐿離子仍然嚴格地以2T為周期翻轉。這正是Norman Yao的論文中時間晶體必須具備的性質。

鐿離子在兩個脈衝下實現周期性翻轉。脈衝頻率是T，自旋系統頻率是2T。脈衝頻率的微波改變並不會影響鐿離子的番頻率。

當你晃動一個果凍，然後發現它以一個不同的頻率作為回應，這難道不奇妙嗎？」Norman Yao說。但這就是時間晶體的本質，你的驅動周期為T，但是當系統達到同步後你卻觀察到它在以一個比T大的周期振動。」

Norman Yao曾參與Monroe和其團隊製造這種新材料的全部過程，在他幫助下，團隊測量了材料的一些重要特性以保證其具有時間晶體的特性。Norman Yao還描述了在不同的磁場和激光頻率下，時間晶體如何像冰塊熔化一樣改變其狀態。而另一邊，Mikhail lukin領導的哈佛團隊通過在鑽石中摻雜氮原子得到空穴，也製造出他們的時間晶體。而他們的時間晶體還有3T的周期，同樣具有極佳的穩定性和清晰的狀態邊界。

印地安那大學的Phil Richerme在物理評論快報上對這篇論文評論說：如此相似的結果竟出自於兩個毫不相干的系統，這更加印證了時間晶體是廣泛存在的一種新的物質狀態，而不是用某個複雜系統通過精心設計而成的什麼新奇玩意兒。時間晶體的發現印證了對稱性的破缺在自然界中廣泛存在，也為全新領域的研究開闢了道路。」

目前，Norman Yao正在對一些新的可能的非平衡態材料做理論研究，繼續著他的時間晶體探索之路。