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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
從星系起源到生命起源，對系統如何形成秩序的探索奠定了對幾乎所有科學的基本理解。在過去的十年中，關于時間晶體的想法已經在理論和實驗上得到了探索，探索系統是否可以隨著時間發展規律的、重復的行為，就像空間晶體在不同的構型中規律地循環一樣。這些所謂的“時間晶體”行為以前已經被觀察到，它們的周期性性質通常是由周期性外力驅動的。
德國塞米科技研究所Kongkhambut等人展示了一種時間晶體，它從一個與時間無關的初始狀態中產生，而不需要反復出現的外力，類似于空間晶體的形成。該研究為深入了解量子系統中動力學相的性質以及在耗散過程存在下有序如何表現提供了思路。
本文要點：
（1）時間秩序
要理解時間秩序的抽象概念，有必要首先確定“秩序”在空間中的含義。在理解空間秩序時要考慮的一個重要概念是對稱性。例如，液體具有完美的連續平移對稱性，因為它的性質在空間中的每一點都是相同的。然而，一旦液體變成結晶固體，這種連續的平移對稱性就喪失了，只有當觀察者的位置移動晶體單位晶胞長度的倍數時，固體的性質才相同。沒有預先確定的位置，當晶體凍結在適當位置時，會自發地隨機選擇一個錨定晶格位點。這種為突現順序選擇起點的自發性是相變中的一個定義特征。
圖 變形的原子晶格
（2）時間晶體的提出
“時間晶體”，即具有破壞時間平移對稱性的穩定、周期性行為的物理系統。盡管研究表明，時間晶體在大多數“自然”情況下是不可能的，但它們對于被驅動和/或耗散的系統當系統增加或損失能量時是有可能的。這些“時間結晶”行為已在例如俘獲離子、氮空位中心、核磁共振、超流氦、冷原子和超導量子位中被發現。盡管這些開創性的結果有助于深入了解驅動系統中的行為，但重復行為的時間是外部驅動程序時間的簡單倍數，時間模式依賴于外部驅動。
（3）時間晶體的展示
作者展示了一種時間結晶，它打破了連續的時間平移對稱性，且不需要反復出現的外力。在光學腔內使用超冷銣原子的玻色愛因斯坦凝聚體，將腔的共振頻率設計為與原子的共振頻率大致相同，同時使用精細調諧的駐波激光器作為泵與原子相互作用。通過Dicke 超輻射的現象，原子從激光中吸收光子，然后將光重新發射到腔中。反過來，發射到空腔中的光再次被原子重新吸收，并反復介導空腔中所有原子之間的有效相互作用。這種現象促使原子間出現空間秩序，打破原子連續的空間平移對稱性，變成二維周期性晶格，形成空間晶體。
（4）裝置優化
作者通過添加“藍色失諧”光，其能量相對于原子的能量更高。在藍光中的原子更喜歡留在激光場的低強度區域。這降低了它們向空腔發射光的可能性，從而降低了使它們保持在第一種配置中的駐波勢的強度。否則，原子將移動到第二種配置中向空腔發射光的區域。然而，在這個位置，原子開始與泵浦光發生更強烈的相互作用，從而重新建立駐波晶格并將原子移回其原始位置，并產生一個循環周期。
（5）時間晶體關鍵因素
時間晶體的一個重要因素是原子位置移動和發射光將它們向后移動之間的短暫延遲，這決定了該過程的節奏。該系統在每個循環期間，一小部分光會從腔中泄漏出來，并且其幅度的變化與腔中原子位置的時間相關性相同。這使得直接測量對稱性破壞的自發性成為可能，顯示為在該實驗中測量的隨機分布的振蕩相位。在存在噪聲的情況下對這一階段的剛性進行了額外檢查，發現了一種連續的時間晶體——一種在任何時間點自發地開始其重復行為的晶體，與僅在特定的預定時間開始振蕩的離散時間晶體形成對比。但出現這種連續時間晶體的條件范圍很苛刻。
參考文獻：
LINDSAY J. LEBLANC, et al. Unleashing spontaneity in a time crystal. Science, 2022, 377: 576-577.
DOI: 10.1126/science.add2015.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add2015
PHATTHAMON KONGKHAMBUT, et al. Observation of a continuous time crystal. Science, 2022, 377: 670-673.
DOI: 10.1126/science.abo3382
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo3382
