物理学家首次创造出时间晶体

科学家用激光轰击离子链造成时间对称性破缺形成时间晶体

日前，科学家首次使用离子链创造出了时间晶体。这听起来可能像科幻小说，但它不是，如同晶体以规则的空间模式重复，时间晶体在时间上重复，以规则的时间间隔返回到类似配置。

“这是‘哇’，一个了不起的实验，”研究人员说。

物理学家们创造了一个10镱离子链，这些离子如同自旋粒子，粒子角动量可以指向上或下。使用激光，物理学家在离子链中途翻转离子自旋，向上变为向下，并允许离子相互作用，使得每个离子的自旋能影响其他离子。研究人员以规则时间间隔定期重复，每次从中途翻转离子自旋并让它们相互作用。当科学家测量离子的自旋时，平均而言，离子以两倍翻转时间经过整个循环返回到它们原来的状态。

这种行为是容易理解的－如果每个离子中途翻转，需要两次翻转返回到其原始位置。但科学家发现，离子的自旋会以相同的速率返回到它们的原始指向，即使它们没有被确切中途翻转。这个结果表明离子系统倾向于某种规律的周期响应－时间晶体的标志 ，正如晶体中的原子更喜欢完美间隔的晶格。时间晶体是“新物质相第一例之一”，研究团队的研究人员说。

时间晶体利用物理学中一个重要的概念－对称破裂，并将其延伸到时间。物理规律通常对空间中的所有点等价，没有一个位置与任何其他位置不同。例如，在液体中，原子在空间中的任何点处被发现的几率相同。沿着连续空间任何点处均相同，这是连续对称性。如果液体固化成晶体，则该对称性被破坏：原子仅在某些规则间隔的位置处发现，原子间具有空隙。从微观上看，如果你旋转晶体不同的角度，晶体将看起来不同，但液体则看起来相同。在物理学中，这种对称性破缺是从磁体到超导体到希格斯机制的基础。

多年前，科学家提出，时间对称性破缺可能产生时间晶体。但后续工作表明时间晶体不可能出现在系统的平衡态，物理学家意识到，被驱动的系统，其被外力周期性扰动，如激光翻转离子，可以产生这样的晶体。 “原来的例子有缺陷或太简单，”研究人员说。 “这个例子更有趣”。

与液体相变到固体晶体中的连续对称破缺不同，在科学家产生时间晶体的驱动系统中，对称性是离散的，对称性出现的时间间隔对应于扰动之间的时间。如果系统自身以比驱动时间间隔更长的时间间隔重复－正如科学家创造的时间晶体那样－则对称性被破坏。

时间晶体对于科学家来说太新了，尚无法掌握其潜在的实际应用。 “这就像一个婴儿，你不知道它会成长成什么，”研究人员说，“我不认为我们听到了关于它最后的结果”。

可能还有未被发现的相关系统，研究人员说， “我们只是探测到非平衡量子系统中许多惊人现象－例如时间晶体－的表面，所以我认为这是我们探索一个全新领域的第一扇窗口”。