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北理工團(tuán)隊(duì)在時(shí)間晶體研究方面取得重要進(jìn)展


日前,北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳宇輝研究員和張向東教授在時(shí)間晶體研究上取得重要突破,,首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了固有的時(shí)間晶體,,相關(guān)研究成果在Nature Communications上發(fā)表[Nat Commun (2023) 14:6161],。北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳宇輝研究員為該論文的第一作者,北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授為論文的通訊作者,。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,,北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃以及北京理工大學(xué)青年科技創(chuàng)新計(jì)劃的支持。該研究發(fā)表后引發(fā)廣泛關(guān)注,,受Nature集團(tuán)Nature Portfolio Communities的邀請(qǐng),,在“Behind the Paper”欄目撰稿分享研究經(jīng)歷。

晶體是由原子或分子按照一定的方式有序排列而成的一類物質(zhì),,生活中常見的紅寶石和鉆石等都屬于晶體一類,。而時(shí)間晶體則是一種類似于晶體的新奇物質(zhì)狀態(tài),但不是在空間中有序排列,,而是在時(shí)間上展示出周期性的特征,。時(shí)間晶體的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了廣泛的研究興趣,因?yàn)樗鼈兙哂性S多潛在應(yīng)用,。例如,,在量子信息處理領(lǐng)域,時(shí)間晶體可以作為穩(wěn)定的量子比特存儲(chǔ)器,,用于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和高效的量子計(jì)算,。此外,時(shí)間晶體還有助于我們深入理解時(shí)間的本質(zhì),、自發(fā)對(duì)稱性破缺以及新奇量子態(tài)的形成,。

時(shí)間晶體的理論概念最早由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·威爾切克于2012年提出。按照傳統(tǒng)理論,,時(shí)間是一個(gè)連續(xù)且平穩(wěn)的維度,,不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生周期性的行為。然而,,通過某些物理系統(tǒng)中的相互作用和調(diào)控,,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)時(shí)間晶體的存在是可能的。目前實(shí)現(xiàn)時(shí)間晶體的方法是通過直接的周期性驅(qū)動(dòng)【Nature 543, 217 (2017),,Nature 543, 221 (2017)】或者通過諧振腔來(lái)引入等效的周期性驅(qū)動(dòng)【Science 377, 670 (2022)】,,使研究體系在時(shí)間上的動(dòng)力學(xué)行為違背驅(qū)動(dòng)力的周期性,從而形成時(shí)間晶體,。

然而,,在目前所有離散和連續(xù)時(shí)間晶體的實(shí)驗(yàn)中,都需要用外部的周期性干預(yù)才能制造出時(shí)間晶體的周期性運(yùn)動(dòng),;時(shí)間晶體的周期性不能自然地形成,。這意味著人們還沒能實(shí)現(xiàn)一個(gè)不依賴于外界周期性的固有時(shí)間晶體,也還未完全理解時(shí)間上的有序性是如何自發(fā)產(chǎn)生的,。另一個(gè)問題是時(shí)間晶體的穩(wěn)定性,。由于它是一種非平衡態(tài),,系統(tǒng)中的耗散和噪聲可能影響到時(shí)間晶體的自發(fā)性質(zhì)。因此,,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固有時(shí)間晶體仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),。

研究亮點(diǎn)之一:構(gòu)建固有時(shí)間晶體的理論模型

圖1. (a) 多體系統(tǒng)示意圖。(b)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)圖,。(c)布局?jǐn)?shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,。(d)和(e)四個(gè)能級(jí)布局?jǐn)?shù)之間的變化關(guān)系。

我們首先在理論上證明了在一個(gè)耗散性的量子多體系統(tǒng)中,,原子間的多體相互作用會(huì)導(dǎo)致體系的時(shí)間平移對(duì)稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺,。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng),如果描述它的所有參量在時(shí)間上都是一個(gè)常量(不隨時(shí)間變化),,那么我們說(shuō)這樣的系統(tǒng)具有時(shí)間平移不變性(也即是時(shí)間平移對(duì)稱性),。人們普遍認(rèn)為在參量不含時(shí)的系統(tǒng)中,系統(tǒng)最終的輸出狀態(tài)也必定是一個(gè)不隨時(shí)間變化的,、穩(wěn)定的狀態(tài),。而時(shí)間平移對(duì)稱性自發(fā)破缺則是指這樣一種過程:如果等待了足夠長(zhǎng)的時(shí)間之后,這樣一個(gè)不含時(shí)的系統(tǒng)卻永遠(yuǎn)無(wú)法回歸到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),,那么就表明這個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生了時(shí)間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺,。我們通過具體的理論建模和分析計(jì)算證明,對(duì)于一個(gè)在連續(xù)光驅(qū)動(dòng)下的四能級(jí)多體系統(tǒng),,即使驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)在時(shí)間上是連續(xù)不變的,,該多體系統(tǒng)的輸出響應(yīng)卻是隨著時(shí)間不斷變化的。也即是說(shuō)該多體系統(tǒng)出現(xiàn)了時(shí)間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺,。而實(shí)現(xiàn)這樣的效果需滿足三個(gè)條件:(1)系統(tǒng)必須是一個(gè)開放的量子系統(tǒng),;(2)系統(tǒng)中存在非線性的多體相互作用;(3)系統(tǒng)的內(nèi)部的自由度必須大于2,。

圖1(a)所示為我們研究的多體系統(tǒng)示意圖,。原子在激光驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生躍遷,而躍遷到激發(fā)態(tài)的原子會(huì)通過磁偶極相互作用改變相鄰原子所處的磁場(chǎng)環(huán)境,,從而引起相鄰原子頻率的改變,。圖1(b)所示為原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖,其中光學(xué)基態(tài)和激發(fā)態(tài)都分別有兩個(gè)自旋能級(jí),,從而構(gòu)成了一個(gè)四能級(jí)系統(tǒng),。圖1(c)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,即使在連續(xù)光的作用下,,系統(tǒng)的布局?jǐn)?shù)分布是隨著時(shí)間不停振蕩的,永遠(yuǎn)都不會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),。圖1(d)和(e)進(jìn)一步展現(xiàn)了時(shí)間平移對(duì)稱性破缺系統(tǒng)中的極限環(huán)動(dòng)力學(xué)過程,。這種時(shí)間平移對(duì)稱性破缺是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài),,是在沒有周期性力或腔體的情況下自發(fā)形成的。

研究亮點(diǎn)之二:固有時(shí)間晶體的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

基于上述理論的指導(dǎo),,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了激光驅(qū)動(dòng)下的摻鉺離子晶體材料為平臺(tái),,通過利用鉺離子之間的多體相互作用,不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)時(shí)間平移的自發(fā)破缺,,還觀察到時(shí)間上周期性有序結(jié)構(gòu)的自發(fā)形成,。與此前時(shí)間晶體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,最顯著的特點(diǎn)就是我們實(shí)驗(yàn)上觀察到的時(shí)間上的周期性行為完全是系統(tǒng)內(nèi)部的自發(fā)行為,,而不是在外界周期性約束的影響下發(fā)生的,。這是國(guó)際上首次在一個(gè)常規(guī)晶體中實(shí)現(xiàn)材料本身所固有的時(shí)間晶體物質(zhì)相,證明了時(shí)間晶體的時(shí)間對(duì)稱性破缺不需要類似于周期性驅(qū)動(dòng)或者是諧振腔調(diào)制等外部機(jī)制的誘導(dǎo)而發(fā)生,。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上清晰地觀察到了摻鉺晶體材料的連續(xù)相變,。在激光驅(qū)動(dòng)較弱時(shí),材料展現(xiàn)出一般光學(xué)材料的吸收效果,。逐漸增加激光強(qiáng)度時(shí),,材料首先會(huì)發(fā)生自發(fā)的時(shí)間平移對(duì)稱性破缺,然而這時(shí)體系的輸出是雜亂無(wú)章的,,其內(nèi)部仍然沒有建立起時(shí)間上穩(wěn)定的周期性行為,。當(dāng)強(qiáng)度繼續(xù)增加到某個(gè)臨界值,系統(tǒng)就會(huì)展現(xiàn)出時(shí)間晶體的周期性振蕩行為,。由于受到原子多體相互作用的保護(hù),,這樣的周期運(yùn)動(dòng)在很長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)都會(huì)保持穩(wěn)定,并且具有長(zhǎng)程的時(shí)間關(guān)聯(lián)性,,其相干時(shí)間甚至超過了單個(gè)離子的相干時(shí)間,。

圖2. 固有時(shí)間晶體相。(a)實(shí)驗(yàn)裝置,;(b)亂序時(shí)間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺,;(c)固有時(shí)間晶體;(d)自相關(guān)函數(shù),。

該研究在國(guó)際上首次證實(shí)了材料可以不依賴外加周期性就展現(xiàn)處固有的時(shí)間晶體行為,,這對(duì)于理解時(shí)間晶體的本質(zhì)和性質(zhì)有著重要的意義。另一方面,,這樣的固有時(shí)間晶體是在一個(gè)常規(guī)的固態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)的,,完全不需要其他復(fù)雜的輔助條件,這意味著我們今后有可能找到許許多多的材料,,它們都可以展現(xiàn)出時(shí)間晶體的行為,。這或許可以使得我們像利用半導(dǎo)體材料一樣,開發(fā)出新型的時(shí)間晶體材料,為未來(lái)在量子計(jì)算和量子信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路,。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41905-3


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