特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

从星系起源到生命起源，对系统如何形成秩序的探索奠定了对几乎所有科学的基本理解。在过去的十年中，关于时间晶体的想法已经在理论和实验上得到了探索，探索系统是否可以随着时间发展规律的、重复的行为，就像空间晶体在不同的构型中规律地循环一样。这些所谓的“时间晶体”行为以前已经被观察到，它们的周期性性质通常是由周期性外力驱动的。

德国塞米科技研究所Kongkhambut等人展示了一种时间晶体，它从一个与时间无关的初始状态中产生，而不需要反复出现的外力，类似于空间晶体的形成。该研究为深入了解量子系统中动力学相的性质以及在耗散过程存在下有序如何表现提供了思路。

本文要点：

（1）时间秩序

要理解时间秩序的抽象概念，有必要首先确定“秩序”在空间中的含义。在理解空间秩序时要考虑的一个重要概念是对称性。例如，液体具有完美的连续平移对称性，因为它的性质在空间中的每一点都是相同的。然而，一旦液体变成结晶固体，这种连续的平移对称性就丧失了，只有当观察者的位置移动晶体单位晶胞长度的倍数时，固体的性质才相同。没有预先确定的位置，当晶体冻结在适当位置时，会自发地随机选择一个锚定晶格位点。这种为突现顺序选择起点的自发性是相变中的一个定义特征。

图 变形的原子晶格

（2）时间晶体的提出

     “时间晶体”，即具有破坏时间平移对称性的稳定、周期性行为的物理系统。尽管研究表明，时间晶体在大多数“自然”情况下是不可能的，但它们对于被驱动和/或耗散的系统当系统增加或损失能量时是有可能的。这些“时间结晶”行为已在例如俘获离子、氮空位中心、核磁共振、超流氦、冷原子和超导量子位中被发现。尽管这些开创性的结果有助于深入了解驱动系统中的行为，但重复行为的时间是外部驱动程序时间的简单倍数，时间模式依赖于外部驱动。

（3）时间晶体的展示

作者展示了一种时间结晶，它打破了连续的时间平移对称性，且不需要反复出现的外力。在光学腔内使用超冷铷原子的玻色爱因斯坦凝聚体，将腔的共振频率设计为与原子的共振频率大致相同，同时使用精细调谐的驻波激光器作为泵与原子相互作用。通过Dicke 超辐射的现象，原子从激光中吸收光子，然后将光重新发射到腔中。反过来，发射到空腔中的光再次被原子重新吸收，并反复介导空腔中所有原子之间的有效相互作用。这种现象促使原子间出现空间秩序，打破原子连续的空间平移对称性，变成二维周期性晶格，形成空间晶体。

（4）装置优化

作者通过添加“蓝色失谐”光，其能量相对于原子的能量更高。在蓝光中的原子更喜欢留在激光场的低强度区域。这降低了它们向空腔发射光的可能性，从而降低了使它们保持在第一种配置中的驻波势的强度。否则，原子将移动到第二种配置中向空腔发射光的区域。然而，在这个位置，原子开始与泵浦光发生更强烈的相互作用，从而重新建立驻波晶格并将原子移回其原始位置，并产生一个循环周期。

（5）时间晶体关键因素

时间晶体的一个重要因素是原子位置移动和发射光将它们向后移动之间的短暂延迟，这决定了该过程的节奏。该系统在每个循环期间，一小部分光会从腔中泄漏出来，并且其幅度的变化与腔中原子位置的时间相关性相同。这使得直接测量对称性破坏的自发性成为可能，显示为在该实验中测量的随机分布的振荡相位。在存在噪声的情况下对这一阶段的刚性进行了额外检查，发现了一种连续的时间晶体——一种在任何时间点自发地开始其重复行为的晶体，与仅在特定的预定时间开始振荡的离散时间晶体形成对比。但出现这种连续时间晶体的条件范围很苛刻。

参考文献：

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