时间晶体“不可能”，但服从量子物理

诸平

Researchers cooled superfluid helium-3 to near absolute zero (minus 273.15°C) inside this rotating refrigerator, where two time crystals were created and brought into touch. Credit: © Aalto University/Mikko Raskinen

之前写过“时间晶体:物质存在的新形式”、“时间晶体:科学家究竟是如何创建物质新状态的”以及“耗散时间晶体的首次实验实现”等博文。今天再来介绍英国兰卡斯特大学（ Lancaster University）2022年6月2日的报道《时间晶体“不可能”，但服从量子物理》（Time crystals 'impossible' but obey quantum physics）。

科学家们在一项似乎违背物理定律的实验中，创造了第一个“时间晶体”双体系统（"time-crystal" two-body system）。此前，同一团队最近目睹了物质新相的首次相互作用。研究人员在上述这个图示的旋转冰箱内将超流氦-3（superfluid helium-3）冷却到接近绝对零度（-273.15 ℃），在此创建并让两个时间晶体相互接触。见芬兰阿尔托大学（Aalto University）米科·拉斯基宁（Mikko Raskinen）提供的上述照片。

长期以来，人们认为时间晶体（Time crystals ）是不可能的，因为它们是由原子无休止地运动而成的。2022年6月2日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上的一项研究成果——S. Autti, P. J. Heikkinen, J. Nissinen, J. T. Mäkinen, G. E. Volovik, V. V. Zavyalov, V. B. Eltsov. Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals. Nature Communications, 2022, 13, Article number: 3090. DOI: 10.1038/s41467-022-30783-w. Published: 02 June 2022. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w.此文表明，时间晶体不仅可以被创造出来，而且有潜力被转化为有用的设备。

时间晶体不同于像金属或岩石那样的标准晶体，标准晶体是由原子在空间中以规则的重复模式排列而成。

2012年，2004年诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）首次提出时间晶体理论，并于2016年确定，时间晶体显示出一种奇怪的特性，即在没有外部输入的情况下，时间晶体保持不变，按时间重复运动。它们的原子不断地振荡、旋转或先向一个方向移动，然后再向另一个方向移动。

兰卡斯特大学物理系的第一作者兼通讯作者、英国工程与物理科学研究委员会（Engineering And Physical Sciences Research Council简称EPSRC）会士（EPSRC Fellow）萨穆利·奥蒂（Samuli Autti）博士解释说：“每个人都知道永动机（perpetual motion machines）是不可能的。然而，在量子物理中，只要我们闭上眼睛，永动机是可以的。通过潜入这个裂缝，我们可以制造出时间晶体。”“事实证明，即使时间晶体本来就不应该存在，但将它们两个放在一起也能很好地工作。我们已经知道它们在室温（ room temperature）下也存在。”

“两级系统”是量子计算机的基本组成部分。时间晶体可以用来制造在室温下工作的量子器件。

一个由来自英国兰卡斯特大学、伦敦大学皇家霍洛威学院（Royal Holloway London）；俄罗斯兰道理论物理研究所（L.D. Landau Institute for Theoretical Physics, Moscow, Russia）和芬兰赫尔辛基的阿尔托大学（Aalto University in Helsinki, Finland）的科学家组成的国际研究小组利用氦-3观测了时间晶体，氦-3是氦的一种稀有同位素，缺少一个中子。这项实验是在阿尔托大学进行的。

他们将超流体氦-3从绝对零度（0.0001 K或-273.15 C）冷却到大约万分之一度。研究人员在超流体中创建了两个时间晶体，并让它们相互接触。然后，科学家们观察了量子物理（quantum physics）描述的两个时间晶体（two time crystals）的相互作用。

这项工作得到了欧洲研究理事会(European Research Council简称ERC)在欧盟地平线2020研究和创新计划(授权协议编号694248) (European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme: Grant Agreement No. 694248)下的支持，另外还得到了欧盟地平线2020研究和创新计划在授权协议编号824109(European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No. 824109)下的支持。得到英国EPSRC资助(UK EPSRC: EP/P024203/1, EP/W015730/1)。詹妮和安蒂·维胡里基金会（Jenny and Antti Wihuri foundation）的支持，芬兰科学与文学院维萨拉基金会（Väisälä foundation of the Finnish Academy of Science and Letters）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

首次观察到的“时间晶体”相互作用的（First ever observation of 'time crystals' interacting）

Abstract

A time crystal is a macroscopic quantum system in periodic motion in its ground state. In our experiments, two coupled time crystals consisting of spin-wave quasiparticles (magnons) form a macroscopic two-level system. The two levels evolve in time as determined intrinsically by a nonlinear feedback, allowing us to construct spontaneous two-level dynamics. In the course of a level crossing, magnons move from the ground level to the excited level driven by the Landau-Zener effect, combined with Rabi population oscillations. We demonstrate that magnon time crystals allow access to every aspect and detail of quantum-coherent interactions in a single run of the experiment. Our work opens an outlook for the detection of surface-bound Majorana fermions in the underlying superfluid system, and invites technological exploitation of coherent magnon phenomena – potentially even at room temperature.