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Received 1 May 2022;
online 7 July 2022
Editors' Suggestion
Logarithmic Quantum Time Crystal
Haipeng Xue (薛海鹏), Lingchii Kong (孔令琦), and Biao Wu (吴飙)
Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (8): 080501
DOI: 10.1088/0256-307X/39/8/080501
文章亮点
在多体玻色系统中,利用其准简并的基态结构构造了一种准量子时间晶体,它的振荡周期正比于系统粒子数的对数,即 T(N)~log(N); 相比于前人研究结果的多项式关系,即 T(N)~Nn,有指数倍的减小。
对数量子时间晶体
量子时间晶体的概念最早由诺贝尔物理学奖得主弗朗克·维尔切克于2012年提出,一个封闭的量子系统可能自发地破坏时间平移不变性,处于一个随时间周期变化的有效基态(effective ground state)。随后,这个想法遭到了质疑,Watanabe和Oshikawa 于2015年证明了:量子时间晶体对于多数短程相互作用的系统是不存在的。后来,研究人员在研究周期驱动的量子系统时,发现其平衡态可以驱动周期的整数倍振荡,并称处在这种态的开放量子系统为离散时间晶体或弗洛凯时间晶体。这种想法很快被实验证实,离散时间晶体成为当前该领域的研究热点。
在封闭量子系统中,当自发性对称破缺发生时,实验观测到的基态并不是真正的本征态,而是由许多准简并的本征基态(指其能级在热力学极限下简并到基态能级)构成的一个叠加态,即有效基态。因此,先期的一些研究希望通过叠加这些准简并的能量本征态构造周期性振荡的基态。目前,研究人员已经在理论上找到了周期正比于粒子数的准量子时间晶体,即T(N)~N(准时间晶体定义为粒子数有限但足够大的体系,它在严格的热力学极限下不振荡)。然而,实验不可能在这么长的时间内维持一个多体态的相干性。
北京大学物理学院吴飙教授团队研究了一个具有许多准简并本征基态的封闭的多体玻色系统。利用这些本征基态,他们构造了一种周期正比于粒子数对数的多体有效基态。因为对数函数的特性,周期变得足够短从而可以被实验观测。该研究打开了一个理解和研究封闭系统中量子时间晶体的新思路。
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