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时间晶体,一种曾被认为是无法存在的物质,被创造出来了吗?

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时间晶体,一种曾被认为是无法存在的物质,被创造出来了吗?

雪花又一年 2018-05-03 13:50:00 浏览534 评论0

摘要: 曾几何时,人们认为在物理学上不可能存在“时间晶体”这种奇异物质形态,但是现在人们已经创造出了这种晶体。 用光拨弄原子是Christopher Monroe的终身事业。他把原子排列成环、链,然后用激光处理,以探索原子的特性,制造基本的量子计算机。

曾几何时,人们认为在物理学上不可能存在“时间晶体”这种奇异物质形态,但是现在人们已经创造出了这种晶体。


用光拨弄原子是Christopher Monroe的终身事业。他把原子排列成环、链,然后用激光处理,以探索原子的特性,制造基本的量子计算机。去年,他决定尝试一项看似不可能的任务:创造时间晶体。


时间晶体听起来很像科幻电视剧《神秘博士》中的道具,但它植根于现实的物理学。它是一种假设的结构,不需要任何能量就能保持振动,就像永远不需要上发条的时钟一样。


普通晶体中的原子在空间上重复,时间晶体则在时间上呈周期性重复。这一概念极具挑战性,因此,当诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek在2012年提出这个大胆的概念时,其他研究者很快证明了时间晶体是不可能被制造出来的。


但证明存在漏洞;另一个物理学分支中的研究者找到了利用这些漏洞的方法。Monroe是马里兰大学的一位物理学家,他的团队利用他们原本为其它目的构建出的原子链,创造了一种时间晶体(见图“如何制造时间晶体”)。“可以说,我们是误打误撞发现它的,”Monroe说。


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Nik Spencer/Nature


另一组来自哈佛大学的研究者利用“脏”钻石(译注:指含大量氮原子杂质的钻石)也独立制造出了时间晶体。这两种版本都被视为时间晶体,发表在了3月份的《自然》杂志上,但与Wilczek原先构想的不同。两篇论文的作者,加州大学伯克利分校的物理学家Norman Yao表示:“(创造出的时间晶体)虽然不像人们一开始设想得那样奇异,但还是十分怪异。


它们也是一类令人惊叹的物质形态的首批样本:时刻处在变化中、永远不会达到稳态的量子粒子集合。这些系统从随机的相互作用中获得稳定性,而其他类型的物质则会被随机的相互作用所扰乱。


“这是一种新的序,过去被认为是不可能的。这一结果非常令人振奋,”哈佛大学团队的成员Vedika Khemani说。她也曾是最初推论出这种新型物质形态存在的团队的成员。实验物理学家已经在计划如何在量子计算机和超敏磁传感器等设备中利用这种奇异系统的性质了。


打破时间对称性

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在Wilczek的设想中,时间晶体是一种打破规则的方式。物理学定律的对称性体现在它们同样适用于时间和空间上所有的点。然而,许多系统都违反了这种对称性。在磁铁中,原子自旋会有序排列起来,而不是指向各个方向。


在矿物晶体中,原子占据了空间中的固定位置,若稍有偏移,晶体看起来就是截然不同的了。物理学家将这种等价变换导致属性变化的现象称为对称性破缺。在自然界,对称性破缺无处不在——磁性、超导性,甚至还有赋予所有粒子质量的希格斯机制皆根源于此。


2012年,现任教于瑞典斯德哥尔摩大学的Wilczek开始好奇为什么对称性不会在时间上自发破缺,以及能否创造出在时间上自发破缺的物质。他将这种物质称为时间晶体。


实验物理学家构想出了这种物质的量子版本:它可能是一个无休止地旋转、循环,然后返回初始格局的原子环。其属性永远随着时间同步变化,就像晶体中原子的位置随空间变化一样。该系统处于最低能态,但其运动却不需要外力。在实质上,时间晶体是一种永动机,不过它不能产生可用的能量。


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Illustration by Peter Crowther


“乍一看,人们会觉得这个想法一定是错的,”Yao说。从定义来说,处在最低能态的系统不会随时间变化。Yao说,如果出现了变化,就意味着系统还有额外的能量可以失去,旋转也会很快停止。“但Frank说服了科研界,使大家相信这个问题比看上去更加微妙,”他说。在量子世界,永动并非没有先例:理论上说,超导体就能永远导电(但电流是均匀的,因此在时间上没有变化)。


渡边悠树(Haruki Watanabe)在加州大学伯克利分校完成了博士学位。从走出第一场博士学位口试起,他就开始思考这些互相矛盾的问题了。在考试中,他展示了自己有关空间对称性破缺的研究结果;导师问他Wilczek提出的时间晶体有何深远意义。


渡边悠树说:“在考场上,我没有回答出来,但这个问题激起了我的兴趣。”当时,他对这种物质存在的可能性非常怀疑。“我在想,‘我该如何说服人们这是不可能的呢?’”


于是,渡边悠树与东京大学的物理学家押川正毅(Masaki Oshikawa)一起,开始尝试以严谨的数学方式证明自己直觉得出的答案。通过将问题(时间晶体为何是不可能的)表述为一个系统中相距遥远的部分在空间和时间上的关系,他们在2015年推导出了一个定理,表明时间晶体不可能在任何处在其最低能态的系统中创造出来。研究者还证实,对任何平衡系统(也就是各种能量都已达稳定状态的系统)来说,创造出时间晶体都是不可能的。


在物理学界看来,这个问题的答案相当明确。“时间晶体似乎是完全不可能实现的,”Monroe说。但他们的证明留下了一个漏洞。他们并没有排除时间晶体在还没有达到稳态的非平衡系统中存在的可能性。全球各地的理论物理学家开始思考如何创造出其它版本的时间晶体。


粒子汤

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而突破还是出现了,而且来自一个谁也没想到的物理学领域。这个领域的研究者当时完全没有在考虑时间晶体这个问题。


Shivaji Sondhi是普林斯顿大学的理论物理学家,他和同事正在观察当一些由各种相互作用的粒子组成的孤立量子系统反复受力时会发生什么。物理学教科书说,这样的系统的温度将会升高,然后陷入混沌之中。但在2015年,Sondhi的团队预测,在某些条件下,它们反而会结合在一起,形成一个在平衡态中不存在的物质相:一个表现出了人们前所未见的微妙相关性的粒子系统,其模式还会在时间上重复。


这种说法吸引了Chetan Nayak的注意,他曾经是Wilczek的学生,现在在加州大学圣塔芭芭拉分校和微软Station Q实验室任职。Nayak和他的同事很快意识到,这种奇异的非平衡物质态也是一种时间晶体。但它并不是Wilczek设想的那种:它并不处在最低的能量态,而且需要周期性施加外力才能振动。不过,它也会获得与外力不一致的稳定节律,这意味着它能打破时间对称性。


“这就好像是在跳绳时甩了两下绳,但绳子只转了一圈,”Yao说。这种对称性破缺比Wilczek设想的更弱:在他的设想中,绳子应该会自己转动。


刚听说这一切时,Monroe并没有理解。“我了解得越多,就越对它产生兴趣,”他说。


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绿光照出了一个在钻石缺陷内的电子自旋网络(红色)中形成的时间晶体。

Georg Kucsko


去年,他开始尝试用原子构建时间晶体。方法极为复杂,但只需要三种基本材料:反复干扰粒子的外力;让原子彼此相互作用的方法;以及随机无序元素。Monroe说,将这三者结合起来,就能保证粒子吸收的能量受到限制,从而保持稳定、有序的状态。


在他的实验中,这意味着反复向一条由十个镱离子组成的离子链交替发射激光:第一次照射翻转其自旋,第二次照射则让自旋以随机方式相互作用。这种激光组合能让原子自旋振荡起来,但周期是自旋翻转的两倍。


此外,研究者还发现,即便他们用不完美的方式翻转系统(比如稍稍改变施加外力的频率),振荡仍然保持不变。Monroe说:“系统仍然处于非常稳定的频率上。”他说,空间晶体对试图改变其原子间固定间距的尝试也有类似的“抵抗力”,“时间晶体展示了同样的性质。”


在哈佛大学,物理学家Mikhail Lukin试图实现类似的目标,但使用了截然不同的系统:3D钻石块。这块钻石上密布着约一百万个缺陷,每个缺陷都包含着自旋。钻石的不纯净性也提供了天然的无序性。Lukin和他的团队使用了微波脉冲来翻转自旋,他们发现,系统只在极少数时间会对干扰做出反应。


物理学家认为,这两种系统自发打破了某种时间对称性,从而在数学上满足了时间晶体的标准。但对于是否应该将它们称为时间晶体,物理学家们也有争议。“进展喜人,但在一定程度上,将它们称为时间晶体是在滥用这一术语,”押川正毅说。


Yao表示,这些新系统的确是时间晶体,但时间晶体的定义需要缩小,以避免将人们已经充分理解、且对量子物理学家来说并不那么有趣的现象包括其中。


但Monroe和Lukin的成果也非常激动人心,只不过原因不同。他们的时间晶体似乎是一系列新相态的首批示例,或许也是最简单的示例,这些相态存在于人们探索相对不多的非平衡态中。


这些晶体也许能用于一些实际应用中。其中一种晶体能在高温下作为量子模拟系统工作。物理学家经常在纳开氏度(接近绝对零度)下使用纠缠量子粒子来模拟在经典计算机上无法建模的材料的复杂行为。


时间晶体代表着一种存在于远高于上述温度下的稳定的量子系统——Lukin的钻石方法达到了室温,有望打开不需低温的量子模拟的大门。


Lukin说,时间晶体可能也可用于超精密传感器。他的实验室已经在使用钻石缺陷来检测温度和磁场的微小变化了。但这种方法也有局限性,因为如果过多的缺陷包含在了较小的空间里,它们的相互作用就会破坏其脆弱的量子态。


但在时间晶体中,这些相互作用起到了稳定作用,而非破坏作用,Lukin因此得以利用数百万个缺陷来产生强大的信号——足以有效探测活细胞和原子厚度的材料。


Yao说,相互作用的稳定原理或可以更加广泛地应用于量子计算中。量子计算机极具潜力,但也存在挑战——长期以来,人们一直在试图保护执行计算的脆弱量子位,同时保证它们可用于编码和读出信息。“能否找到相互作用能稳定这些量子位的相态是一个我们很想知道的问题,”Yao说。


马克斯·普朗克复杂系统物理学研究所主任Roderich Moessner表示,创造时间晶体的故事是一个很好的例子,说明进步往往发生在不同想法相互融合时。或许,他说,这种特殊的方法只是制备时间晶体的众多方法之一。


原文发布时间为:2017-12-26
本文作者:陶卿
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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