探尋時(shí)間晶體

2012 年由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）提出的“時(shí)間晶體”（time crystal）具有不斷周期重復(fù)的動(dòng)力學(xué)行為。2017年，這種時(shí)間晶體首次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。最近，兩種新時(shí)間晶體的發(fā)現(xiàn)暗示它是材料的普遍特性。

我們可借助空間晶體來理解時(shí)間晶體?？臻g晶體（如鉆石）破缺空間對(duì)稱性，因此不是晶格中所有位置都等價(jià)。如果平移鉆石的晶格任意距離，它將不會(huì)與原始晶格重疊；但如果將晶格平移原子間距的整數(shù)倍，它們將會(huì)重疊，破缺的平移對(duì)稱性具有周期性。時(shí)間晶體破缺“時(shí)間平移”對(duì)稱性。如果你在時(shí)間上平移任意時(shí)間，系統(tǒng)將會(huì)變化；如果移動(dòng)整數(shù)倍的周期，系統(tǒng)將會(huì)還原。2015 年，加州大學(xué)伯克利分校的渡邊悠樹和東京大學(xué)的押川正毅證明了沒有物理系統(tǒng)能在基態(tài)形成時(shí)間晶體，之前不久在歐洲同步輻射裝置工作的帕特里克·布魯諾也提出了類似的意見。他們認(rèn)為振蕩系統(tǒng)的能量耗散無法避免。難道時(shí)間晶體僅僅是諾獎(jiǎng)得主徒勞的幻想嗎？并非如此。悠樹和正毅承認(rèn)他們的論證存在漏洞：在被周期性驅(qū)動(dòng)推離平衡態(tài)的系統(tǒng)中，時(shí)間晶體是可以存在的。平衡態(tài)之外能獲得具有周期的行為并不令人驚訝。事實(shí)上，周期性驅(qū)動(dòng)調(diào)制的量子系統(tǒng)在之前就被人研究過。它們被歸在弗洛凱（Floquet） 系統(tǒng)中，該系統(tǒng)得名于19 世紀(jì)用數(shù)學(xué)方式研究它的數(shù)學(xué)家弗洛凱。

2016 年，普林斯頓與馬普所的研究組展示了耗散的弗洛凱系統(tǒng)可以反直覺地產(chǎn)生周期性相位。研究者考慮自旋鏈系統(tǒng)，但沒有考慮到它與時(shí)間晶體之間的聯(lián)系。微軟圣芭芭拉的實(shí)驗(yàn)室也提出了類似的方案，加州大學(xué)伯克利分校的諾曼·姚和他的同事們將其稱為“離散時(shí)間晶體”，“離散”源于其周期總是驅(qū)動(dòng)周期的整數(shù)倍。離散時(shí)間晶體與其他非平衡周期性系統(tǒng)不同——雖然它們都需要驅(qū)動(dòng)，但時(shí)間晶體不吸收或消耗能量。這種被驅(qū)動(dòng)而不吸收能量的能力源于無序，系統(tǒng)被囚禁在非平衡狀態(tài)或被“局域化”了。這被稱為“多體局域化”，來源于能級(jí)的量子化?！耙蕴厥忸l率驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力不會(huì)引發(fā)精確地共振，因此系統(tǒng)將會(huì)局域化，無法從驅(qū)動(dòng)中吸收能量。”姚認(rèn)為這一點(diǎn)是關(guān)鍵，一旦系統(tǒng)吸收能量，它將緩慢地?zé)峄?，有序的狀態(tài)都將最終消失。馬里蘭大學(xué)的克里斯·門羅引入控制方法讓離子阱成為理想的測(cè)試環(huán)境，將時(shí)間晶體與其他弗洛凱系統(tǒng)區(qū)別開，2017年報(bào)道了離子阱中鐿離子陣列的時(shí)間晶體特性。當(dāng)使用激光脈沖激發(fā)自旋的轉(zhuǎn)變時(shí)，鐿離子鏈的自旋按照激光頻率的整數(shù)倍振蕩。更關(guān)鍵的是，這種反應(yīng)的頻率具有穩(wěn)定性，這正是離散時(shí)間晶體的行為。

時(shí)間晶體這種在無序系統(tǒng)獲得穩(wěn)定周期的能力可用于制造時(shí)鐘、高敏感度磁場(chǎng)探測(cè)器，乃至量子計(jì)算機(jī)，可以說是為物質(zhì)的凝聚態(tài)行為研究提供了更廣闊的圖景。

（魏亮摘編自《物理》2018年第7期，作者：郭啟淏，尹璋琦）