教育在線
自發(fā)對稱性破缺是近代物理學(xué)最重要的概念之一，它可以描述各種豐富的量子物態(tài)形成的機(jī)制。作為人們熟知的一個(gè)例子，空間平移對稱性的自發(fā)破缺會使得物質(zhì)中的原子在空間上形成有序的周期分布，從而導(dǎo)致了晶體的產(chǎn)生。由于空間和時(shí)間的等價(jià)性，一個(gè)自然的問題就是相互作用能否導(dǎo)致時(shí)間平移對稱性的自發(fā)破缺，并在時(shí)間維度上結(jié)晶。2012年，諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)首次預(yù)言了“時(shí)間晶體”的存在。處于“時(shí)間晶體”相的物理系統(tǒng)會隨著時(shí)間不斷地自我重復(fù)，呈現(xiàn)持續(xù)的周期性振蕩行為。自此，關(guān)于“時(shí)間晶體”的討論一直是量子多體物理的熱點(diǎn)問題。然而，眾多的理論分析指出，由于量子漲落，連續(xù)“時(shí)間晶體”相很難穩(wěn)定地存在于處于平衡態(tài)的系統(tǒng)中。
圖1.(a)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)拍圖。該裝置中原子氣體處于室溫，不需要額外制冷。(b)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。對向入射的耦合光(Coupling)與探測光(Probe)會將基態(tài)原子激發(fā)到里德堡態(tài)并對探測光形成電磁誘導(dǎo)透明(EIT)。另一束參考光(Reference)用于差分測量。(c)典型的時(shí)間晶體振蕩信號
近期，清華大學(xué)物理系尤力教授研究組在“時(shí)間晶體”研究中取得突破性進(jìn)展，他們首次在強(qiáng)相互作用的室溫里德堡氣體(圖1)中觀測到了持續(xù)且穩(wěn)定的時(shí)間晶體信號，其振蕩幅度在實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)任何衰減。不同于傳統(tǒng)的有限溫體系，研究所構(gòu)建的系統(tǒng)是一種非平衡態(tài)系統(tǒng)，其中里德堡原子間的長程相互作用，相干的外場驅(qū)動，以及原子的自發(fā)輻射等耗散之間的協(xié)同作用是“時(shí)間晶體”得以穩(wěn)定存在的關(guān)鍵。這種特殊的“時(shí)間晶體”也被稱為“耗散時(shí)間晶體”。
圖2.長程時(shí)間序的建立。(a)系統(tǒng)的單次淬火動力學(xué)信號。(b)不同時(shí)間段振蕩信號的傅立葉變換。(c)傅立葉變換的峰值頻率隨著時(shí)間演化逐漸穩(wěn)定。(d)不同時(shí)間段系統(tǒng)的自關(guān)聯(lián)函數(shù)
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成員測量了系統(tǒng)的淬火動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過一個(gè)短暫的弛豫過程后系統(tǒng)才在時(shí)間維度上建立起真正的長程序(true long-range order)，形成穩(wěn)定的(時(shí)間)晶格結(jié)構(gòu)(圖2)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)觀測到的振蕩信號對外界噪聲具有很好的抗干擾性，即使人為地添加很強(qiáng)的噪聲，“時(shí)間晶體”相也不會完全被破壞。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)與(前)奧胡斯大學(xué)的楊帆博士和托馬斯·波爾(Thomas Pohl)教授展開理論合作，揭示了該系統(tǒng)中形成“時(shí)間晶體”的另一關(guān)鍵機(jī)制：多種里德堡組分之間的相互競爭，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
相關(guān)研究成果以“強(qiáng)相互作用的里德堡氣體中的耗散時(shí)間晶體”(Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas)為題，于7月2日發(fā)表于《自然·物理》(Nature Physics)雜志。
清華大學(xué)物理系2017級博士生吳曉凌、2021級博士生王竺卿、2015級博士生楊帆(現(xiàn)為奧地利因斯布魯克大學(xué)博士后研究員)為論文的共同第一作者。北京量子信息科學(xué)研究院助理研究員李相良、奧地利維也納工業(yè)大學(xué)教授托馬斯·波爾(Thomas Pohl)和尤力為論文的通訊作者。合作者還包括清華大學(xué)物理系2022級博士生高若晨、2018級博士生梁超、副教授鄭盟錕。研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院和合肥國家實(shí)驗(yàn)室的資助。
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9
① 凡本站注明“稿件來源：中國教育在線”的所有文字、圖片和音視頻稿件，版權(quán)均屬本網(wǎng)所有，任何媒體、網(wǎng)站或個(gè)人未經(jīng)本網(wǎng)協(xié)議授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、鏈接、轉(zhuǎn)貼或以其他方式復(fù)制發(fā)表。已經(jīng)本站協(xié)議授權(quán)的媒體、網(wǎng)站，在下載使用時(shí)必須注明“稿件來源：中國教育在線”，違者本站將依法追究責(zé)任。
② 本站注明稿件來源為其他媒體的文/圖等稿件均為轉(zhuǎn)載稿，本站轉(zhuǎn)載出于非商業(yè)性的教育和科研之目的，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。如轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題，請作者在兩周內(nèi)速來電或來函聯(lián)系。
