諾獎得主預言得到證實：發現一種嶄新的物質形態——時間晶體

這種神奇的物質無需能量，也能持久運動。

編譯 張雪 房苑

審校 丁家琦

「時間晶體」（time crystal）是由諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）於2012年首先提出的概念。它是什麼？如果說一般晶體最核心的特徵是空間上的周期性重複特徵，那時間晶體就不僅存在空間上的重複，而且存在時間上的重複。更奇怪的是，它們處在持續振蕩的狀態中，卻沒有任何能量。

目前，這個概念已經得到學界的證實！去年8月，加州大學伯克利分校的物理學家Norman Yao及合作者詳細報道了如何製造與刻畫這種奇特的晶體，將論文發布在預印本網站arXiv上，近期發表在物理學權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。而實驗科學家在看到發布在arXiv上的這篇論文後也開始進行實驗研究，已有兩組獨立科學家團隊表示，他們已經根據這一藍圖在實驗室中製造出時間晶體，證實了這個全新物態的存在。

這個發現聽起來可能很抽象，但它卻預示著物理學的一個全新領域的存在。幾十年來，我們一直研究的都是處於「平衡態」的物質，比如金屬與絕緣體間的平衡。然而，科學家認為，宇宙中應該還存在著一些處在非平衡態的奇特物質，時間晶體就是其中一種。我們之前很少研究這些物質，但是現在我們知道這樣的物質是真實存在的。

這第一例非平衡態物質的發現，將幫助我們更加深刻地理解周圍世界，並且有助於我們理解新興的科學技術，如量子計算。該項工作的主要研究者，來自加州大學伯克利分校的Norman Yao認為：「時間晶體帶給我們的驚喜不僅在於它證明了新的物態的存在，更在於它說明了非平衡態物質的存在。20世紀後半葉，我們一直在研究金屬-絕緣體等平衡態物質，現在我們才開始探索非平衡態物質這一全新領域。」

什麼是時間晶體？

事實上，時間晶體的概念並非近年才提出，讓我們先來回顧一下時間晶體概念的發展。

石英晶體。圖片來源：Pinterest

2012年，諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克首次預測了時間晶體的存在。普通晶體擁有在空間中重複排列的原子結構，例如鑽石中的碳晶格。但是愛因斯坦的相對論告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有第四維度，也就是時間。因此，維爾切克就在想，會不會有在時間上重複的晶體呢？經過計算，他認為這類晶體不僅存在，而且具有一種奇特的性質：它在基態時也會維持振蕩的狀態。

通常情況下，當物質處於基態、也就是系統的零點能時，理論上是不可能發生運動的，因為運動需要消耗能量。但是維爾切克認為，這一通常假設並不適用於時間晶體。

時間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但是這種運動的不同之處在於，它不消耗任何能量。時間晶體就像是在自然的基態條件下持續振蕩的「果凍」，它不可能保持靜止，這使得它成為一種擁有全新物態的非平衡態物質。

創造時間晶體

但是，預測時間晶體的存在是一碼事，創造時間晶體完全是另外一碼事，這也是新研究的切入點。

Yao及其團隊詳細描述了如何創造並衡量時間晶體的特性，他們甚至預測出了時間晶體的多種物相的特點。這意味著他們已經找到這種全新物質形態中等價於固相、液相、氣相的物態。該研究成果發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters，PRL），Yao認為他們的文章是「理論觀點與實驗驗證之間的橋樑」。

時間晶體的存在不再只是推測。基於Yao的實驗方法，來自馬里蘭大學與哈佛大學的兩個獨立團隊已經創造出各自的時間晶體。他們都已於去年年底在arXiv上發布了結果，並已向同行評審期刊提交了論文，這兩篇論文的作者里都列上了Yao的名字。

在論文未發表前，我們理應對這兩項研究保持一定的懷疑。但是，兩個獨立團隊已經採用相同的方法在差異巨大的系統中創造出各自的時間晶體，這一結果確實令人振奮。

馬里蘭大學的時間晶體是通過將十個鐿離子排成一列，並使它們的電子自旋相糾纏而得到的。

圖片來源：Chris Monroe, University of Maryland

將這樣排列的鐿離子變為時間晶體的關鍵是使這些離子保持在非平衡態，為了達到這一目的，研究者們用兩束激光對其進行交替照射。一束激光用於創造磁場，而另一束激光則用於快速地翻轉部分原子自旋方向。由於所有原子的旋轉糾纏在一起，這些原子最終進入一個穩定、重複的自旋翻轉模型中，成為晶體。

上述過程不足為奇，但要創造時間晶體，系統必須打破時間對稱性。在觀察鐿原子排列時，研究者們注意到了一些奇特的現象：定期照射鐿原子的兩束激光使鐿原子系統產生了一種周期性重複，這一周期是激光照射周期的兩倍，在通常的系統中觀察不到這樣的現象。

「如果你輕輕晃動吉露果子凍，卻發現它以不同的頻率抖動，這不是非常奇怪嗎？」Yao說道。「但這就是時間晶體的本質特點。當一個系統接受以T為周期的周期性驅動時，系統會產生一種『同步』，因此你會觀察到系統以大於T的周期在振蕩。」

在不同的磁場和不同的激光脈衝中，時間晶體會發生物態改變，就像冰塊融化一樣。

圖片來源：Norman Yao, UC Berkeley

哈佛大學的時間晶體則與此不同。研究者們利用了鑽石中緊密包裹的氮-空位中心製造時間晶體，得到與馬里蘭大學相同的結果。

圖片來源：APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme

印第安納大學的Phil Richerme並未參與該項目的研究，他認為：「在兩種非常不同的系統中都得到時間晶體這一事實表明時間晶體是一種全新的物質狀態，而不僅僅屬於有限或特定的系統。在不同的系統中均觀察到時間晶體這一事實證實了對稱性破缺基本可以發生在所有自然領域中，同時也為一些新領域研究開闢了道路。」

參考資料：

APS Physics網站關於Yao論文的新聞報道：

哈佛大學團隊製造出時間晶體的論文（預印本）：

馬里蘭大學團隊製造出時間晶體的論文（預印本）：

清華大學助理研究員尹璋琦所寫的時間晶體簡介：

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