自發(fā)對(duì)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(duì)稱性的自發(fā)破缺會(huì)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(wèn)題就是相互作用能否導(dǎo)致時(shí)間平移對(duì)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(huì)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(wèn)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(duì)向入射的耦合光(Coupling)與探測(cè)光(Probe)會(huì)將基態(tài)原子激發(fā)到里德堡態(tài)并對(duì)探測(cè)光形成電磁誘導(dǎo)透明(EIT)。另一束參考光(Reference)用于差分測(cè)量。(c)典型的時(shí)間晶體振蕩信號(hào)

　　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(cè)到了持續(xù)且穩(wěn)定的時(shí)間晶體信號(hào)，其振蕩幅度在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)沒(méi)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(zhǎng)程相互作用，相干的外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)程時(shí)間序的建立。(a)系統(tǒng)的單次淬火動(dòng)力學(xué)信號(hào)。(b)不同時(shí)間段振蕩信號(hào)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(cè)量了系統(tǒng)的淬火動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的弛豫過(guò)程后系統(tǒng)才在時(shí)間維度上建立起真正的長(zhǎng)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(cè)到的振蕩信號(hào)對(duì)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(huì)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)，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(jí)博士生吳曉凌、2021級(jí)博士生王竺卿、2015級(jí)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(jí)博士生高若晨、2018級(jí)博士生梁超、副教授鄭盟錕。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資助。

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　　https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9