耗散时间晶体的首次实验实现

诸平

Sketch showing the optical cavity with the Bose-Einstein condensate at its centre. Credit: Keßler et al.

据物理学家组织网（Phys.org）2021年9月3日报道，科学家对于耗散时间晶体（dissipative time crystal）的首次实验已经实现（The first experimental realization of a dissipative time crystal）。时间晶体是一种独特且奇特的物质相，由美国物理学家弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek，2004年诺贝尔物理学奖获得者，获奖原因：发现强相互作用理论中的渐近自由）在2012年首次预测。时间晶体是传统宇宙晶体的时间类似物，因为它们基于具有重复图案的结构。

时间晶体不像空间晶体那样在整个三维 (3D) 空间中形成重复模式，而是以固定模式随时间发生的变化为特征。一些研究团队已经能够实现这些奇异的材料阶段，但到目前为止，这些成就仅是使用封闭系统实现的。这就提出了一个问题，即是否可以在存在耗散和退相干的开放系统中实现时间晶体？

德国汉堡大学激光物理研究所（Institute of Laser Physics at the University of Hamburg）的研究人员最近首次实现了开放量子系统的时间晶体。他们的论文已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Observation of a dissipative time crystal. Physical Review Letters(2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.043602，此文可能对研究量子系统中物质的奇异相（exotic phases）具有重要意义。

进行相关研究的研究人者之一汉斯·凯斯勒（Hans Keßler）告诉物理学家组织网说：“我们研究的主要目的是研究物质的动态阶段，已知物质的特性会随着时间的推移而有规律地变化。在博士研究期间，我和我的同事研究了从均匀BEC到自序超辐射相（self-ordered super-radiant phase）的相变，以及我们正在研究此系统如何从一种稳态（steady state）淬火到另一种稳态。”

由于不存在固有的稳定物理状态，汉斯·凯斯勒和他的同事之前所做工作的下一步是研究物质的动态阶段。这些本质上是材料随时间改变其特性的过渡。

研究人员最近工作的主要目的是在实验室环境中实现耗散时间晶体。为此，他们使用了一个量子多体系统（quantum many-body system），与窄带光共振腔（narrow band optical cavity）强耦合。

汉斯·凯斯勒解释说：“对于我们的实验来说，共振器内的光场和多体系统的密度是在同一基础上演化的，这是由腔的频带宽度和对应于单个光子反跳的频率分别给出的。这种情况在我们的原子腔系统（atom-cavity system）中是独一无二的，并开辟了研究物质的动态相（dynamic phases）的可能性。

真实的物理系统并没有完全与其周围环境分离，因此容易耗散（即能量损失或浪费）。这使得在任何时间内都很难或不可能实现真正封闭的量子系统。这最终鼓励汉斯·凯斯勒和他的同事尝试在开放量子系统中实现时间晶体。

汉斯·凯斯勒说：“到目前为止，在不同群体中展示的时间晶体必须小心地与环境隔离，因为耗散具有‘融化’他们的时间晶体的不良影响。我们原子腔装置中时间晶体的独特之处在于它们在防止耗散方面发挥了积极作用，因为它们有助于稳定系统的动力学。因此，在开放系统中证明时间晶体有序性是我们研究的最重要的成果。”

该研究小组最近的研究提供了有力的证据，证明离散时间晶体可以存在于驱动和开放的原子腔系统中。汉斯·凯斯勒和他的同事们现在正在尝试使用他们在最近的工作中使用的相同的原子腔系统来实现连续时间晶体（continuous time crystal）。

这种连续耗散时间晶体（continuous dissipative time crystal）和离散耗散时间晶体（discrete dissipative time crystal）之间的关键区别就在于，前者即使在没有时间周期驱动的情况下也会振荡。作为这种振荡的结果，他们正在研究的新晶体自发地打破了连续的时间变换的对称（continuous time-translation symmetry）。

汉斯·凯斯勒补充说:“正如我们在最近的论文中提出的方案，我们的原子腔系统将切换到一种以某些固有频率的周期振荡为特征的物质状态。在这样一个时间晶体中，振荡的相对相位可以取0到2π之间的任意值。这与离散时间晶体非常不同，后者的相对相位只能是0或π。在某种程度上，连续时间晶体更接近固体晶体，因为它们都打破了连续对称（continuous symmetry）。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

在经典多体系统中寻找离散时间晶体

更多信息：Observation of a dissipative time crystal. Physical Review Letters(2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.043602

Emergent limit cycles and time crystal dynamics in an atom-cavity system. Physical Review A(2019). DOI: 10.1103/PhysRevA.99.053605

From a continuous to a discrete time crystal in a dissipative atom-cavity system. New Journal of Physics(2020). DOI: 10.1088/1367-2630/ab9fc0