实验方案和平均场相图。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02542-9
晶体是一种原子排列，在空间中以规则的间隔重复自身：在每个点上，晶体看起来都完全相同。2012年，诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）提出了一个问题：是否也存在一种时间晶体——一种不是在空间中而是在时间中重复的物体？即使没有强加给系统特定的节奏并且粒子之间的相互作用完全独立于时间，是否有可能出现周期性节奏？
多年来，弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）的想法引起了很多争议。一些人认为时间晶体在原则上是不可能的，而另一些人则试图在某些特殊条件下寻找漏洞并实现时间晶体。
现在，在奥地利维也纳工业大学的支持下，中国清华大学成功制造了一种特别壮观的时间晶体。
该团队使用了激光和特殊类型的原子，即里德堡原子，其直径比正常原子大几百倍。研究结果已发表在《自然物理学》杂志上。
自发对称性破坏时钟的滴答声也是时间周期性运动的一个例子。然而，它不会自行发生：一定有人给时钟上了发条，并在某个时间启动了它。然后，这个开始时间决定了刻度的时间。它与时间水晶不同：
根据Wilczek的想法，周期性应该自发地出现，尽管不同时间点之间实际上没有物理差异。
“滴答频率是由系统的物理特性预先决定的，但滴答发生的时间是完全随机的;这被称为自发对称性破坏，“维也纳工业大学理论物理研究所的Thomas Pohl教授解释道。
Pohl负责研究工作的理论部分，该研究现已导致在中国清华大学发现了一种时间晶体：激光被照射到一个装满铷原子气体的玻璃容器中。测量到达容器另一端的光信号的强度。
“这实际上是一个静态实验，其中没有对系统施加特定的节奏，”Pohl说。“光和原子之间的相互作用总是相同的，激光束具有恒定的强度。但令人惊讶的是，到达玻璃电池另一端的强度开始以高度规则的模式振荡。
巨型原子实验的关键是以一种特殊的方式准备原子：原子的电子可以在不同的路径上绕原子核运行，这取决于它们有多少能量。如果将能量添加到原子的最外层电子上，它与原子核的距离会变得非常大。
在极端情况下，它可能比平时离原子核远几百倍。通过这种方式，产生了具有巨大电子壳层的原子，即所谓的里德堡原子。
“如果我们的玻璃容器中的原子是以这样的里德堡状态制备的，并且它们的直径变得很大，那么这些原子之间的力也会变得非常大，”Pohl解释道。
“这反过来又改变了它们与激光相互作用的方式。如果选择激光的方式使其可以同时激发每个原子中的两种不同的里德堡态，则会产生一个反馈回路，导致两个原子态之间的自发振荡。这反过来也会导致振荡的光吸收。
巨型原子本身跌跌撞撞地进入了一个有规律的节拍，这个节拍被转化为到达玻璃容器末端的光强度的节奏。
“我们在这里创建了一个新系统，它提供了一个强大的平台，以一种非常接近Frank Wilczek最初想法的方式加深我们对时间晶体现象的理解，”Pohl说。
“例如，精确、自持续的振荡可用于传感器。具有里德堡态的巨型原子已经成功地用于其他情况下的此类技术。
更多信息：Xiaoling Wu et al， Dissipative time crystal in a strong interacting Rydberg gas， Nature Physics （2024）.DOI： 10.1038/s41567-024-02542-9.在arXiv上：arxiv.org/html/2305.20070v3
期刊信息： Nature Physics ， arXiv
