圖為《自然》雜志封面的“時(shí)間晶體”示意圖

對(duì)多數(shù)人而言，提到晶體就會(huì)聯(lián)想到鉆石等各種寶石，以及石英石等深受人們喜愛的貴重物品。但對(duì)物理學(xué)家來說，這些由規(guī)則原子結(jié)構(gòu)在空間重復(fù)排列的晶體只代表冰山一角，原子結(jié)構(gòu)還能在特定條件下沿著時(shí)間軸呈現(xiàn)周期性變化，即所謂的“時(shí)間晶體”。

《自然》雜志近日以“時(shí)間晶體”為封面，介紹了兩篇重要論文，分別以哈佛大學(xué)和馬里蘭大學(xué)為首的兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，首次用不同方法同時(shí)制造出“時(shí)間晶體”，宣告了“時(shí)間晶體”不再只是科幻劇《神秘博士》中虛擬的“時(shí)空穿梭機(jī)”，而是一種實(shí)實(shí)在在的真實(shí)存在，更為人類研究物質(zhì)特性打開了全新的思維方式。

什么是“時(shí)間晶體”

“時(shí)間晶體”理論最先由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)家弗蘭克·維爾切克和同事于2012年提出，當(dāng)時(shí)他們發(fā)表論文闡述了相關(guān)理論，認(rèn)為“時(shí)間晶體”是一種處于基態(tài)（能量最低狀態(tài)）可做周期運(yùn)動(dòng)的理論系統(tǒng)，其破壞了時(shí)間平移對(duì)稱性，因此旋轉(zhuǎn)時(shí)的能量比靜止時(shí)還要低，能在不消耗能量的前提下以固定模式運(yùn)動(dòng)。

去年夏天，著名物理期刊《物理評(píng)論快報(bào)》刊登一篇論文，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研究人員描述了制造“時(shí)間晶體”和測(cè)量其特性的方法。論文主要作者、該校助理教授姚穎在接受外媒采訪中曾用果凍來形象解釋“時(shí)間晶體”，認(rèn)為與果凍受到反復(fù)拍打后出現(xiàn)的周期性晃動(dòng)類似，“時(shí)間晶體”在受到?jīng)_擊后原子結(jié)構(gòu)也會(huì)在時(shí)間維度上周期性重現(xiàn)。

也有研究人員用海綿來幫助人們理解“時(shí)間晶體”的概念，當(dāng)人們每次用同樣力量捏海綿時(shí)，海綿會(huì)周期性呈現(xiàn)相同的形狀，“時(shí)間晶體”內(nèi)量子系統(tǒng)具有類似運(yùn)動(dòng)。

“時(shí)間晶體”真實(shí)存在

這次兩個(gè)不同研究團(tuán)隊(duì)在制造“時(shí)間晶體”實(shí)驗(yàn)中，都運(yùn)用到姚穎提出的方法，其名字同時(shí)出現(xiàn)在兩篇論文的作者隊(duì)伍中。姚穎表示，其團(tuán)隊(duì)在兩組實(shí)驗(yàn)中扮演著理論假設(shè)與實(shí)際操作之間的橋梁作用，成功幫助他們以不同方式制造出“時(shí)間晶體”。

其中，馬里蘭大學(xué)張頡頏博士為首的科研團(tuán)隊(duì)將10個(gè)帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個(gè)磁場(chǎng)，用另一束激光反轉(zhuǎn)原子的自旋方向，一遍一遍地重復(fù)該過程，最終讓原子進(jìn)入在時(shí)間上重復(fù)的反轉(zhuǎn)模式，從而制造出“時(shí)間晶體”。

而哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以金剛石和其中100萬個(gè)隨機(jī)分布的氮—空位為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備出一種離散型“時(shí)間晶體”。因?qū)嶒?yàn)樣本大，這一方法暗示“時(shí)間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心尹璋琦博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這次制造的“時(shí)間晶體”展現(xiàn)出來的運(yùn)動(dòng)周期與外加脈沖的周期不一樣，比外加脈沖周期要長(zhǎng)，是它的兩倍、三倍或者更多倍。且在外加驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)很難演化到熱平衡態(tài)。這意味著他們通過實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出“時(shí)間晶體”的核心概念——時(shí)間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺。

物理學(xué)研究的新世界

姚穎認(rèn)為，“時(shí)間晶體”是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，與過去半個(gè)世紀(jì)里一直研究的金屬和絕緣體等平衡態(tài)物質(zhì)不同，其處于一種非平衡態(tài)，將為物理學(xué)研究打開一個(gè)全新世界，回答與物質(zhì)本性有關(guān)的各種基本問題。

現(xiàn)在，“時(shí)間晶體”已經(jīng)制造成功，其實(shí)際運(yùn)用或在不久后實(shí)現(xiàn)，將能幫助科學(xué)家開發(fā)出儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)的全新量子計(jì)算機(jī)，掀開量子計(jì)算的新篇章。 尹博士表示，按照維爾切克的設(shè)想，有了“時(shí)間晶體”，人們就能開發(fā)出在三維空間和時(shí)間維度中結(jié)晶的時(shí)空晶體，未來對(duì)時(shí)空晶體進(jìn)行編程，可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的周期運(yùn)動(dòng)回路，代表不同比特和比特間的運(yùn)算，然后將人腦意識(shí)上傳到時(shí)空晶體中，保存人生中最美好最難忘的記憶。