北理工團隊在時間晶體研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2023-10-08 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳宇輝研究員和張向東教授在時間晶體研究上取得重要突破，首次在實驗上實現(xiàn)了固有的時間晶體，相關(guān)研究成果在Nature Communications上發(fā)表[Nat Commun (2023) 14:6161]。北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳宇輝研究員為該論文的第一作者，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金，北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計劃以及北京理工大學(xué)青年科技創(chuàng)新計劃的支持。該研究發(fā)表后引發(fā)廣泛關(guān)注，受Nature集團Nature Portfolio Communities的邀請，在“Behind the Paper”欄目撰稿分享研究經(jīng)歷。
晶體是由原子或分子按照一定的方式有序排列而成的一類物質(zhì)，生活中常見的紅寶石和鉆石等都屬于晶體一類。而時間晶體則是一種類似于晶體的新奇物質(zhì)狀態(tài)，但不是在空間中有序排列，而是在時間上展示出周期性的特征。時間晶體的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了廣泛的研究興趣，因為它們具有許多潛在應(yīng)用。例如，在量子信息處理領(lǐng)域，時間晶體可以作為穩(wěn)定的量子比特存儲器，用于實現(xiàn)更復(fù)雜和高效的量子計算。此外，時間晶體還有助于我們深入理解時間的本質(zhì)、自發(fā)對稱性破缺以及新奇量子態(tài)的形成。
時間晶體的理論概念最早由諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·威爾切克于2012年提出。按照傳統(tǒng)理論，時間是一個連續(xù)且平穩(wěn)的維度，不會自發(fā)地產(chǎn)生周期性的行為。然而，通過某些物理系統(tǒng)中的相互作用和調(diào)控，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)時間晶體的存在是可能的。目前實現(xiàn)時間晶體的方法是通過直接的周期性驅(qū)動【Nature 543, 217 (2017)，Nature 543, 221 (2017)】或者通過諧振腔來引入等效的周期性驅(qū)動【Science 377, 670 (2022)】，使研究體系在時間上的動力學(xué)行為違背驅(qū)動力的周期性，從而形成時間晶體。
然而，在目前所有離散和連續(xù)時間晶體的實驗中，都需要用外部的周期性干預(yù)才能制造出時間晶體的周期性運動；時間晶體的周期性不能自然地形成。這意味著人們還沒能實現(xiàn)一個不依賴于外界周期性的固有時間晶體，也還未完全理解時間上的有序性是如何自發(fā)產(chǎn)生的。另一個問題是時間晶體的穩(wěn)定性。由于它是一種非平衡態(tài)，系統(tǒng)中的耗散和噪聲可能影響到時間晶體的自發(fā)性質(zhì)。因此，設(shè)計和實現(xiàn)穩(wěn)定的固有時間晶體仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
研究亮點之一：構(gòu)建固有時間晶體的理論模型
圖1. (a) 多體系統(tǒng)示意圖。(b)原子能級結(jié)構(gòu)圖。(c)布局?jǐn)?shù)的數(shù)值計算結(jié)果。(d)和(e)四個能級布局?jǐn)?shù)之間的變化關(guān)系。
我們首先在理論上證明了在一個耗散性的量子多體系統(tǒng)中，原子間的多體相互作用會導(dǎo)致體系的時間平移對稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺。對于一個系統(tǒng)，如果描述它的所有參量在時間上都是一個常量（不隨時間變化），那么我們說這樣的系統(tǒng)具有時間平移不變性（也即是時間平移對稱性）。人們普遍認(rèn)為在參量不含時的系統(tǒng)中，系統(tǒng)最終的輸出狀態(tài)也必定是一個不隨時間變化的、穩(wěn)定的狀態(tài)。而時間平移對稱性自發(fā)破缺則是指這樣一種過程：如果等待了足夠長的時間之后，這樣一個不含時的系統(tǒng)卻永遠(yuǎn)無法回歸到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，那么就表明這個系統(tǒng)中發(fā)生了時間平移對稱性的自發(fā)破缺。我們通過具體的理論建模和分析計算證明，對于一個在連續(xù)光驅(qū)動下的四能級多體系統(tǒng)，即使驅(qū)動光場在時間上是連續(xù)不變的，該多體系統(tǒng)的輸出響應(yīng)卻是隨著時間不斷變化的。也即是說該多體系統(tǒng)出現(xiàn)了時間平移對稱性的自發(fā)破缺。而實現(xiàn)這樣的效果需滿足三個條件：（1）系統(tǒng)必須是一個開放的量子系統(tǒng)；（2）系統(tǒng)中存在非線性的多體相互作用；（3）系統(tǒng)的內(nèi)部的自由度必須大于2。
圖1(a)所示為我們研究的多體系統(tǒng)示意圖。原子在激光驅(qū)動下會發(fā)生躍遷，而躍遷到激發(fā)態(tài)的原子會通過磁偶極相互作用改變相鄰原子所處的磁場環(huán)境，從而引起相鄰原子頻率的改變。圖1(b)所示為原子的能級結(jié)構(gòu)圖，其中光學(xué)基態(tài)和激發(fā)態(tài)都分別有兩個自旋能級，從而構(gòu)成了一個四能級系統(tǒng)。圖1(c)的數(shù)值計算結(jié)果表明，即使在連續(xù)光的作用下，系統(tǒng)的布局?jǐn)?shù)分布是隨著時間不停振蕩的，永遠(yuǎn)都不會達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1(d)和(e)進一步展現(xiàn)了時間平移對稱性破缺系統(tǒng)中的極限環(huán)動力學(xué)過程。這種時間平移對稱性破缺是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，是在沒有周期性力或腔體的情況下自發(fā)形成的。
研究亮點之二：固有時間晶體的實驗實現(xiàn)
基于上述理論的指導(dǎo)，我們在實驗中使用了激光驅(qū)動下的摻鉺離子晶體材料為平臺，通過利用鉺離子之間的多體相互作用，不僅實現(xiàn)了連續(xù)時間平移的自發(fā)破缺，還觀察到時間上周期性有序結(jié)構(gòu)的自發(fā)形成。與此前時間晶體的實驗結(jié)果相比，最顯著的特點就是我們實驗上觀察到的時間上的周期性行為完全是系統(tǒng)內(nèi)部的自發(fā)行為，而不是在外界周期性約束的影響下發(fā)生的。這是國際上首次在一個常規(guī)晶體中實現(xiàn)材料本身所固有的時間晶體物質(zhì)相，證明了時間晶體的時間對稱性破缺不需要類似于周期性驅(qū)動或者是諧振腔調(diào)制等外部機制的誘導(dǎo)而發(fā)生。
我們在實驗上清晰地觀察到了摻鉺晶體材料的連續(xù)相變。在激光驅(qū)動較弱時，材料展現(xiàn)出一般光學(xué)材料的吸收效果。逐漸增加激光強度時，材料首先會發(fā)生自發(fā)的時間平移對稱性破缺，然而這時體系的輸出是雜亂無章的，其內(nèi)部仍然沒有建立起時間上穩(wěn)定的周期性行為。當(dāng)強度繼續(xù)增加到某個臨界值，系統(tǒng)就會展現(xiàn)出時間晶體的周期性振蕩行為。由于受到原子多體相互作用的保護，這樣的周期運動在很長時間范圍內(nèi)都會保持穩(wěn)定，并且具有長程的時間關(guān)聯(lián)性，其相干時間甚至超過了單個離子的相干時間。
圖2. 固有時間晶體相。(a)實驗裝置；(b)亂序時間平移對稱性的自發(fā)破缺；(c)固有時間晶體；(d)自相關(guān)函數(shù)。
該研究在國際上首次證實了材料可以不依賴外加周期性就展現(xiàn)處固有的時間晶體行為，這對于理解時間晶體的本質(zhì)和性質(zhì)有著重要的意義。另一方面，這樣的固有時間晶體是在一個常規(guī)的固態(tài)材料中實現(xiàn)的，完全不需要其他復(fù)雜的輔助條件，這意味著我們今后有可能找到許許多多的材料，它們都可以展現(xiàn)出時間晶體的行為。這或許可以使得我們像利用半導(dǎo)體材料一樣，開發(fā)出新型的時間晶體材料，為未來在量子計算和量子信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41905-3
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