物理学家研制出高度坚固的时间晶体

诸平

What looks like a flame is the measurement of the new time crystal: Each point corresponds to an experimental value, resulting in different views of the periodic dynamics of the nuclear spin polarization of the time crystal. Credit: Alex Greilich/TU Dortmund University

之前曾经介绍过“时间晶体”，如时间晶体:物质存在的新形式、使用新的量子计算架构来创造时间晶体、时间晶体“不可能”,但服从量子物理、耗散时间晶体的首次实验实现；网络上相关报道也不少：时间晶体,直到世界尽头的浪漫、[科普中国]-时间晶体、时间晶体:一种新物态的探索、时间晶体:构想、争议与实现等。

今天再来介绍2024年2月1日来自德国多特蒙德大学（Technische Universität Dortmund / TU Dortmund University, Dortmund, Germany）的消息，德俄物理学家合作研制出高度坚固的时间晶体（Physicists develop highly robust time crystal）。

多特蒙德大学的一个研究小组最近成功地制造出了一种高度耐用的时间晶体，它的寿命比以前的实验长数百万倍。通过这样做，他们证实了一个非常有趣的现象，这个现象是诺贝尔奖获得者弗朗克·维尔切克（ Frank Wilczek, Nobel Prize for Physics in 2004 ）大约十年前提出的，并且已经在科幻电影中找到了自己的方式。相关研究结果2024年1月24日已经在《自然·物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——A. Greilich, N. E. Kopteva, A. N. Kamenskii, P. S. Sokolov, V. L. Korenev, M. Bayer. Robust continuous time crystal in an electron–nuclear spin system. Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02351-6. Published: 24 January 2024. https://www.nature.com/articles/s41567-023-02351-6

参与此项研究的除了多特蒙德大学的研究人员之外，还有俄罗斯圣彼得堡的约飞研究所（Ioffe Institute, St Petersburg, Russia）的研究人员。

晶体，或者更准确地说，应该是空间中的晶体，是原子在大长度尺度上的周期性排列。这种排列使晶体具有迷人的外观，像宝石一样光滑的表面。

由于物理学通常将空间和时间放在同一个层面上处理，例如在狭义相对论中，美国麻省理工学院(MIT)的物理学家、诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克在2012年假设，除了空间中的晶体，时间中也一定有晶体。他说，要做到这一点，它们的一种物理性质必须自发地开始周期性地发生变化，即使使系统在没有经历相应的周期性干扰的情况之下也是如此。

这种时间晶体的可能性是多年来备受争议的科学辩论的主题，但很快就出现在了电影院:例如，时间晶体在漫威工作室的电影《复仇者联盟:终局之战》(Marvel Studios' movie Avengers: Endgame 2019)中发挥了核心作用。

从2017年开始，科学家们确实在少数场合成功地展示了一种潜在的时间晶体。然而，这些系统与弗朗克·维尔切克最初的想法不同，它们受到具有特定周期的时间激励，但随后与另一个两倍长的周期反应。尽管激发是与时间无关的，即常数，但晶体在时间上的周期性行为仅在2022年在玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）中被证明。然而，这种晶体只能存活几毫秒。

由亚历克斯·格雷里奇博士（Dr. Alex Greilich）领导的多特蒙德物理学家，现在设计了一种由砷化铟镓（indium gallium arsenide）制成的特殊晶体，其中的核自旋（nuclear spins）充当了时间晶体的储存库。晶体被连续照射，通过与电子自旋相互作用形成核自旋极化。正是这种核自旋极化自发地产生振荡，相当于一种时间晶体。

目前的实验状态是，晶体的寿命至少为40分钟，比迄今为止所证明的寿命长1000万倍，而且它的寿命可能会更长。通过系统地改变实验条件，可以在很大范围内改变此晶体的周期。然而，也有可能移动到晶体“融化”的区域，即失去其周期性。

这些领域也很有趣，因为混沌行为（chaotic behavior），可以维持很长一段时间，然后表现出来。这是科学家们第一次能够使用理论工具来分析这类系统的混沌行为。

本研究得到了德国研究基金会（German Research Foundation through the International Collaborative Research Centre grant no. TRR160, Project A1)、德国联邦教育和研究部(Federal Ministry of Education and Research, Germany Project QR.X, contract no. 16KISQ011)以及鲁尔研究联盟（Research Alliance Ruhr）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。

Abstract

Crystals spontaneously break the continuous translation symmetry of free space. Analogously, time crystals lift translational invariance in time. Here we demonstrate a robust continuous time crystal in an electron–nuclear spin system of a semiconductor tailored by tuning the material composition. Continuous, time-independent external driving of the sample produces periodic auto-oscillations with a coherence time exceeding hours. Varying the experimental parameters reveals wide ranges in which the time crystal remains stable. At the edges of these ranges, we find chaotic behaviour with a lifted periodicity corresponding to the melting of the crystal. The time crystal state enables fundamental studies of nonlinear interactions and has potential applications as a precise on-chip frequency standard.