@ 2017.01.28 , 22:07

科学家发现物质的新相态:时间晶体

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自发性时间平移对称性破缺(spontaneous breaking of discrete time translation symmetry)的时间晶体。

“晶体”这词,对一般人来说,是纯净透明的珠宝,或是璀璨生辉的水晶。

对学霸来说,“晶体”指的则是固态物质的一种,其原子或分子在三维空间按一定规律周期重复排列。

而对每周工作时间超过100小时的加州大学伯克利分校研究者Norman Yao来说,传统意义上的“晶体”不过是宇宙冰山的一角。

这位物理学助理教授在去年与马里兰大学和哈佛大学的两组研究者独立制造出了“时间晶体”(time crystals),并成为了这两份论文的合著者。在上周发表于期刊Physical Review Letters上的一篇论文中,他正式介绍了制造时间晶体的办法,并且讲解了这一种相态的性质。

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基于Norman Yao提供的蓝图,马里兰大学的研究者们使用磁场和激光,将一维方向上排列的镱离子链转化为了时间晶体。这些粒子之间展现出如箭头所示的远距离交互作用。

爱因斯坦告诉我们,我们所生活的世界是个四维时空。除了我们看得见摸得到的三维空间外,还存在“时间”这第四个维度。

既然普通的晶体,如六边分形的雪花或是蜂窝六面体的钻石,在三维空间里有规律地排列着,那么有没有一种物质形态,在时间轴上也存在着固定的周期性变化?

时间晶体这一概念,在2012年由诺奖得主维尔切克(Frank Wilczek)首次提出。2016年,来自普林斯顿大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学家各自独立证明了这种晶体存在的合理性。Yao表示,他带领的伯克利研究组起到的作用是“连接理论和实证的桥梁。”

时间晶体在时间上呈有规律的重复排列。Yao表示,时间晶体是一种新的相态,是目前刚刚被物理学界发现的非平衡态物质(non-equilibrium matter)之一。“在过去的半个世界里,我们一直在探究平衡态物质。对非平衡态物质领域的探索才刚刚开始。”

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这个相态图体现了在特定情况下,时间晶体可以“融化”成隔热物,或被加热成高温热态。

从量子力学的角度看,聚集的电子可以组成一种特殊的,稳定的,可以被称为晶体的物质,不需遵守原子组成的三维结构需要遵循的空间平移对称性(spatial translation symmetry)原则。

时间晶体打破了普通晶体带有的时间对称性。三维晶体的振动频率不会高于驱动源带给其的振动频率。(想象你在跳绳,绳子翻转的速度不会高于你手甩动的速度。)而在实验室里造出的时间晶体中,镱原子系统的振动频率可以达到两倍于驱动源的频率。(如手只甩了一圈,手中的跳绳却转了两圈。)

Yao本人还没有发现时间晶体的实际利用渠道,但在理论上,其它非平衡态物质具有保持永久记忆的能力(不需要外部能量输入便能保持内部运动状态),或将被用于量子计算机的数据存储中。在物理学家的想象里,如果人类能将时间晶体和空间晶体的特性结合,我们便能制造出能“保存到宇宙尽头”的时空晶体。

本文译自 Berkeley News & APS Physics,由译者 zzjeff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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