美國科研團隊首次造出物質新形態 “時間晶體”不再是科幻

圖為《自然》雜志封面的“時間晶體”示意圖

對多數人而言，提到晶體就會聯想到鑽石等各種寶石，以及石英石等深受人們喜愛的貴重物品。但對物理學家來說，這些由規則原子結構在空間重復排列的晶體隻代表冰山一角，原子結構還能在特定條件下沿著時間軸呈現周期性變化，即所謂的“時間晶體”。

《自然》雜志近日以“時間晶體”為封面，介紹了兩篇重要論文，分別以哈佛大學和馬裡蘭大學為首的兩個科研團隊，首次用不同方法同時制造出“時間晶體”，宣告了“時間晶體”不再只是科幻劇《神秘博士》中虛擬的“時空穿梭機”，而是一種實實在在的真實存在，更為人類研究物質特性打開了全新的思維方式。

什麼是“時間晶體”

“時間晶體”理論最先由諾貝爾獎獲得者、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克和同事於2012年提出，當時他們發表論文闡述了相關理論，認為“時間晶體”是一種處於基態（能量最低狀態）可做周期運動的理論系統，其破壞了時間平移對稱性，因此旋轉時的能量比靜止時還要低，能在不消耗能量的前提下以固定模式運動。

去年夏天，著名物理期刊《物理評論快報》刊登一篇論文，美國加州大學伯克利分校研究人員描述了制造“時間晶體”和測量其特性的方法。論文主要作者、該校助理教授姚穎在接受外媒採訪中曾用果凍來形象解釋“時間晶體”，認為與果凍受到反復拍打后出現的周期性晃動類似，“時間晶體”在受到沖擊后原子結構也會在時間維度上周期性重現。

也有研究人員用海綿來幫助人們理解“時間晶體”的概念，當人們每次用同樣力量捏海綿時，海綿會周期性呈現相同的形狀，“時間晶體”內量子系統具有類似運動。

“時間晶體”真實存在

這次兩個不同研究團隊在制造“時間晶體”實驗中，都運用到姚穎提出的方法，其名字同時出現在兩篇論文的作者隊伍中。姚穎表示，其團隊在兩組實驗中扮演著理論假設與實際操作之間的橋梁作用，成功幫助他們以不同方式制造出“時間晶體”。

其中，馬裡蘭大學張頡頏博士為首的科研團隊將10個帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創造一個磁場，用另一束激光反轉原子的自旋方向，一遍一遍地重復該過程，最終讓原子進入在時間上重復的反轉模式，從而制造出“時間晶體”。

而哈佛大學的科研團隊以金剛石和其中100萬個隨機分布的氮—空位為實驗平台，制備出一種離散型“時間晶體”。因實驗樣本大，這一方法暗示“時間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

清華大學交叉信息院量子信息中心尹璋琦博士告訴科技日報記者，這次制造的“時間晶體”展現出來的運動周期與外加脈沖的周期不一樣，比外加脈沖周期要長，是它的兩倍、三倍或者更多倍。且在外加驅動下，系統很難演化到熱平衡態。這意味著他們通過實驗展現出“時間晶體”的核心概念——時間平移對稱性的自發破缺。

物理學研究的新世界

姚穎認為，“時間晶體”是一種全新的物質形態，與過去半個世紀裡一直研究的金屬和絕緣體等平衡態物質不同，其處於一種非平衡態，將為物理學研究打開一個全新世界，回答與物質本性有關的各種基本問題。

尹博士表示，按照維爾切克的設想，有了“時間晶體”，人們就能開發出在三維空間和時間維度中結晶的時空晶體，未來對時空晶體進行編程，可設計出復雜的周期運動回路，代表不同比特和比特間的運算，然后將人腦意識上傳到時空晶體中，保存人生中最美好最難忘的記憶。

現在，“時間晶體”已經制造成功，其實際運用或在不久后實現，將能幫助科學家開發出儲存和處理數據的全新量子計算機，掀開量子計算的新篇章。 （記者 聶翠蓉）