@ 2017.02.21 , 09:30

科学家说「时间晶体,我们做出来了」

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去年我们曾经介绍了科学家说时间晶体可能存在。最近研究者们已经在Physical Review Letters上发表了最新的研究成果:他们终于成功的制造出了时间晶体。时间晶体并不是指时间的晶体,而是物质的一种新的形态。所谓时间晶体是指这种物质的原子结构不仅仅只在空间的层面上展开,同时也在时间的维度上重复。并且能够处于一种无能量的震动状态。

这个发现也许听上去比较抽象,但是它却预示着物理学将进入一个新的纪元。一直以来人类所研究的物质都是处于平衡态(in equilibrium)的,例如金属与绝缘体等。但是时间晶体的制成证明了宇宙中还有其他的处于非平衡态的物质。这个发现为现代物理学的进展打开了无数的可能。这个发现可能提升我们在量子计算机方面的理解,这算是离我们生活最近的一项应用。

最早提出时间晶体这一设想的是诺奖得主Frank Wilczek,他在2012年提出了这种在基态:物质的最低能量状态仍然能够呈现出震动的物质。通常来说,处于基态:零能量状态的系统无法呈现出任何运动,因为任何的运动都需要能量。 但是对时间晶体却并非如此。

通常的晶体物质,例如钻石,在它们的基态是处于禁止的,因为它们在基态同时也是处于它们的平衡态。但是时间晶体的原子结构不仅在空间上延伸,并且在时间上也延伸。这种特质使得时间晶体处于基态时却不处于它的平衡态,所以它能够表现出这种零能量的震荡行为。时间晶体的发现被认为是理论与实验实现之间的桥梁。

马里兰大学所制作的的时间晶体是通过采用10个镱离子的康加线产生的,所有的离子都具有处于量子缠结态的电子自旋。如下图:
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正如上文所说,为了制造时间晶体,研究人员必须让这组离子处于非平衡态。他们使用了两组激光周期性的轰击它们,一组激光制造一个磁场,另一组激光改变原子的自旋方向。由于所有原子的自旋方向都是处于纠缠态的,所以最后这组原子就进入了一个稳定的重复的自旋方向改变中。

当研究人员使镱离子进入了这种状态后发现,它们开始产生了自己的震动频率,它们自身的震动频率和激光所照射的频率并不一致。这就表现出了时间晶体的特性。 在不同的磁场和激光下,时间晶体所表现出的相也不尽相同:
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哈佛大学的研究人员则使用了另外一种不同的方法来制作时间晶体,有兴趣的同学可以自行阅读。

本文译自 sciencealert,由译者 ST岸天 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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