该团队的实验装置照片，发光的蒸气池在室温下，没有冷却或加热。b.实验装置示意图，其中探针束与室温 85Rb 蒸汽池中的反向传播耦合束重叠并建立 EIT。c. 典型的振荡时间晶体信号。图片来源：吴晓玲博士
耗散时间晶体是物质的一相，其特征是随时间周期性振荡，而系统正在耗散能量。与传统的时间晶体不同，传统的时间晶体也可以在没有能量损失的封闭系统中出现，而耗散时间晶体则在开放系统中观察到，能量可以自由地流入和流出它们。
清华大学的研究人员最近在室温下在强相互作用的里德堡气体中观察到了一种耗散时间晶体。他们的论文发表在《自然物理学》上，为研究这种迷人的物质状态开辟了新的可能性。
“我们取得的成果完全是计划外的，”该研究的监督研究员李友博士告诉 Phys.org。“在三年前的新冠疫情期间，第一作者吴晓玲博士，当时还是博士生，当只有少数学生被允许进入时，他决心继续在实验室工作。当时，我们的主要目标是在超冷原子气体中试验里德堡激发。
在清华大学攻读博士学位期间，Xiaoling博士通过实验观察到探针光在穿过用于锁定激光器到原子跃迁的热蒸汽池时会发生类似噪声的振荡。当时，他和他的同事们都不明白这种令人惊讶的现象是什么，因为它还没有被预测或理论上描述过。
“Xiaoling Wu、Zhuqing Wang和Fan Yang博士（我们论文的三位共同第一作者）与北京量子信息科学研究院的Xiangliang Li博士一起，从实验和理论两个方面开始了对与这一新发现现象相关的物理学的激动人心的探索，最终导致了报道的工作，“你说。小玲的直觉和毅力，以及我们团队所有人的通力合作，对于这个意外的发现至关重要，此后被许多团体报道。
托马斯·波尔（Thomas Pohl）博士也加入了研究人员的行列，他为该研究的理论方面做出了贡献。Pohl 与 Yang 密切合作，Yang 当时正在与他一起担任博士后。
“已经有几项早期的实验研究了激光与里德堡原子气体的相互作用，但没有一个报告了当前实验中看到的振荡行为类型，”Pohl说。“因此，实验观察是一个奇妙的谜题，必须解决它才能理解它的起源，并说服自己振荡确实纯粹是由原子和光之间的相互作用产生的。
时间晶体本质上是一种物质状态，在这种状态中，时间振荡自发出现。这些观察结果在某种程度上类似于在正常晶体中观察到的观察结果，其中原子之间的相互作用使它们自发地按照特定的空间模式排列。
“有两种类型的时间晶体：一种是在周期性驱动力下形成的离散时间晶体，另一种是在其他时间无关的条件下自发出现的连续时间晶体，”杨解释说。后者在我们的工作中得到了体现。
电磁感应透明 （EIT） 是一种量子光学现象，其中由于相消干涉，两个强耦合的量子态为探测光在近共振第三态上建立了一个透明窗口。值得注意的是，在里德堡原子之间存在强烈的偶极-偶极相互作用的情况下，通过该窗口的光传输线的形状发生了变化。
“在我们的实验中，我们采用了三态阶梯配置，其中顶部里德堡态耦合到中间激发态，中间激发态是从基态探测的，”You解释说。“这种简单的设置使得在冷原子气体或热原子气体中研究非平衡物理学，用于多种主题，如流行病动力学、森林火灾和自组织临界性。
“我们的实验是在85Rb原子，与780 nm探针光近谐振跃迁|g⟩ = |5S1/2⟩ 至 |e⟩ = |5P3/2⟩，通过 480 nm 耦合光进一步耦合到 Rydberg 流形 |nDJ⟩."
在他们的实验中，You，Pohl和他们的同事在室温下使用激光照亮了原子气体。施加的激光场将气体中的一些原子激发到所谓的里德堡态，这加强了原子之间的相互作用。
建立长期时间秩序。一个。时间晶体b的单次淬火动力学。不同时间窗口振荡的傅里叶变换。c. 随着时间的推移，振荡的峰值频率逐渐稳定到一个常数。d. 不同时间窗下时间晶体的自相关函数（ACF）。图片来源：吴晓玲博士
由此产生的强相互作用影响了激发原子进入里德堡态的过程，而里德堡态又影响了原子相互作用，从而形成了一个“良性循环”，其特点是原子之间的相互作用越来越强。有趣的是，研究人员发现，在某些特定条件下，这种反馈回路会导致里德堡原子数量的自发振荡。
“事实证明，人们需要特殊的条件，在这种条件下，施加的激光场激发了两种不同类型的里德堡原子，因此它们的相互作用可以引起振荡，这些振荡可以直接观察到通过原子气体传输的激光强度的振荡，”Pohl说。“然而，一旦满足这些条件，产生的连续时间晶体就变得非常坚固，并且在几乎不确定的时间内表现出自持振荡。
研究人员的实验与过去进行的类似实验之间的一个关键区别是，他们调整了耦合光的偏振，从而将|e⟩驱动到不同的里德堡状态。在团队的设置中，多个Rydberg组件之间的相互作用和竞争极大地丰富了他们系统的相图，使耗散时间晶体相得以出现。
“最近在另外两个系统中观察到了耗散时间晶体的特征，其中它来自原子与光学谐振器中单一模式光子的耦合，或者由于单个电子自旋与固态材料中的核自旋的耦合，”杨说。
“我们的工作报告了对连续时间晶体的观察，该晶体来自多体系统中粒子之间的相互相互作用。从这个意义上说，这一发现为加深我们对时间晶体现象的理解提供了一个有前途的平台，更接近弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）在2012年提出的时间晶体的原始想法。
这个研究小组最近的研究揭示了观察里德堡原子气体中时间晶体行为所需的条件。他们的工作已经激发了他们实验室内的其他实验，其中一些实验旨在控制他们观察到的自持振荡的特性。
“通过这种方式，时间晶体相可以用来提高高精度电场传感器的性能，为此，巨大的里德堡原子已经找到了技术应用，”Pohl解释说。
波尔和他们的同事介绍了一个非常有前景的平台来研究耗散时间晶体。他们的工作已经为世界各地其他实验室的实验铺平了道路，旨在进一步研究耗散时间晶体并控制振荡特性。
在未来，这些工作可能有助于开发新的技术设备。例如，它们可以让工程师设计出基于里德伯原子的性能更好、精度更高的传感器。
“在不久的将来，我们将集中精力描绘极限周期和连续时间平移对称打破时间晶体之间的差异，”尤说。“后者，或TC，通常是指具有刚性和多体纠缠的宏观量子系统。
在他们的下一步研究中，You和他的同事们希望直接观察到与宏观量子相关性相关的显着特征。他们的努力可以收集到新的证据，证实这些特征确实超出了他们论文中采用的平均场理论描述。
你和他的同事们还计划调查他们观察到的时间晶体的可能应用。例如，他们将尝试确定它是否可以用于开发用于电磁场传感和计量的更先进的设备。
“在未来，更好地了解导致室温原子气体中自发振荡的详细微观过程将非常重要，”Pohl补充道。“我们的研究结果也可能有助于确定在许多相互作用粒子的系统中出现连续时间晶体通常所需的基本机制。
“理解粒子之间量子纠缠的意义和作用尤为重要，这在我们的系统中可能变得独特。
更多信息：Xiaoling Wu 等人，强相互作用里德堡气体中的耗散时间晶体，《自然物理学》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02542-9
期刊信息： Nature Physics
