科學(xué)家詮釋物質(zhì)新形態(tài)“時間晶體”不再是科幻

聶翠蓉

3月9日，《自然》雜志以“時間晶體”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”不再只是科幻劇《神秘博士》中虛擬的“時空穿梭機”，而是一種實實在在的真實存在，更為人類研究物質(zhì)特性打開了全新的思維方式。

什么是“時間晶體”

愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有一個維度就是時間。既然我們生活周圍有這么多在三維空間上結(jié)晶的晶體，是不是也存在著在時間上結(jié)晶的晶體呢？

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

去年夏天，著名物理期刊《物理評論快報》刊登了一篇論文，美國加州大學(xué)伯克利分校研究人員描述了制造“時間晶體”和測量其特性的方法。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)的周期性晃動類似，“時間晶體”在受到?jīng)_擊后原子結(jié)構(gòu)也會在時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“時間晶體”的概念，當(dāng)人們每次用同樣力量捏海綿時，海綿會周期性呈現(xiàn)相同的形狀，“時間晶體”內(nèi)量子系統(tǒng)具有類似運動。

“時間晶體”真實存在

這次兩個不同研究團隊在制造“時間晶體”實驗中，都運用到姚穎提出的方法，其名字同時出現(xiàn)在兩篇論文的作者隊伍中。姚穎表示，其團隊在兩組實驗中扮演著理論假設(shè)與實際操作之間的橋梁作用，成功幫助他們以不同方式制造出“時間晶體”。

其中，以馬里蘭大學(xué)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(chuàng)造一個磁場，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，最終讓原子進入在時間上重復(fù)的反轉(zhuǎn)模式，從而制造出“時間晶體”。

而哈佛大學(xué)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?qū)嶒灅颖敬螅@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。

清華大學(xué)交叉信息研究院量子信息中心尹璋琦博士介紹，這次制造的“時間晶體”展現(xiàn)出來的運動周期與外加脈沖的周期不一樣，比外加脈沖周期要長，是它的兩倍、三倍或者更多倍。而且在外加驅(qū)動下，系統(tǒng)很難演化到熱平衡態(tài)。這意味著他們通過實驗展現(xiàn)出“時間晶體”的核心概念—時間平移對稱性的自發(fā)性破缺。

物理學(xué)研究的新世界

姚穎認(rèn)為，“時間晶體”是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，與過去半個世紀(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)研究打開一個全新世界，解答與物質(zhì)本性有關(guān)的各種基本問題。

尹璋琦表示，按照維爾澤克的設(shè)想，有了“時間晶體”，人們就能開發(fā)出在三維空間和時間維度中結(jié)晶的時空晶體，未來對時空晶體進行編程，可設(shè)計出復(fù)雜的周期運動回路，代表不同比特和比特間的運算，然后將人腦意識上傳到時空晶體中，保存人生中最美好最難忘的記憶。

現(xiàn)在，“時間晶體”已經(jīng)制造成功，其實際運用或在不久后實現(xiàn)，將能幫助科學(xué)家開發(fā)出儲存和處理數(shù)據(jù)的全新量子計算機，掀開量子計算的新篇章。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日報》）