“時間晶體”不再是科幻

對多數人而言，提到晶體就會聯想到鉆石等深受人們喜愛的貴重物品。但對物理學家來說，這些由規則原子結構在空間重復排列的晶體只代表冰山一角，原子結構還能在特定條件下沿著時間軸呈現周期性變化，即所謂的“時間晶體”。

不久前，哈佛大學和馬里蘭大學兩個獨立的科研團隊首次用不同方法同時制造出“時間晶體”，宣告了“時間晶體”不再只是科幻電影《神秘博士》中虛擬的“時空穿梭機”，更為人類研究物質特性打開了全新的思維方式。

諾獎得主首先提出概念

2012年，諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克首次預測了時間晶體的存在。普通晶體擁有在空間中重復排列的原子結構，例如鉆石中的碳晶格。但是愛因斯坦的相對論告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有第四維度，也就是時間。因此，維爾切克就想會不會有在時間上重復的晶體呢？經過計算，他認為這類晶體不僅存在，而且具有一種奇特的性質：它在基態時也會維持振蕩的狀態。

通常情況下，當物質處于基態時，理論上是不可能發生運動的，因為運動需要消耗能量。但是維爾切克認為，這一通常假設并不適用于時間晶體。

時間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但是這種運動的不同之處在于它不消耗任何能量。時間晶體就像是在自然的基態條件下持續振蕩的“果凍”，它不可能保持靜止，這使得它成為一種擁有全新物態的非平衡態物質。

掀開量子計算新篇章

去年夏天，美國加州大學伯克利分校研究人員在《物理評論快報》上刊登了一篇論文，描述了制造“時間晶體”和測量其特性的方法。此次馬里蘭大學的科研團隊和哈佛大學研究團隊在制造“時間晶體”實驗中，都運用到這種方法。

其中，以馬里蘭大學張頡頏博士為首的科研團隊將10個帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創造一個磁場，用另一束激光反轉原子的自旋方向，一遍一遍地重復該過程，最終讓原子進入在時間上重復的反轉模式，從而制造出“時間晶體”。

而哈佛大學的科研團隊以金剛石和其中100萬個隨機分布的氮-空位為實驗平臺，制備出一種離散型“時間晶體”。因實驗樣本大，這一方法暗示“時間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

專家認為，“時間晶體”是一種全新的物質形態，將為物理學研究打開一個全新世界，回答與物質本性有關的各種基本問題。

現在，“時間晶體”已經制造成功，其實際運用或在不久后實現，將能幫助科學家開發出儲存和處理數據的全新量子計算機，翻開量子計算的新篇章。