自發(fā)對稱性破缺是近代物理學(xué)最重要的概念之一，它可以描述各種豐富的量子物態(tài)形成的機制。作為人們熟知的一個例子，空間平移對稱性的自發(fā)破缺會使得物質(zhì)中的原子在空間上形成有序的周期分布，從而導(dǎo)致了晶體的產(chǎn)生。由于空間和時間的等價性，一個自然的問題就是相互作用能否導(dǎo)致時間平移對稱性的自發(fā)破缺，并在時間維度上結(jié)晶。2012年，諾貝爾獎物理學(xué)獎得主弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)首次預(yù)言了“時間晶體”的存在。處于“時間晶體”相的物理系統(tǒng)會隨著時間不斷地自我重復(fù)，呈現(xiàn)持續(xù)的周期性振蕩行為。自此，關(guān)于“時間晶體”的討論一直是量子多體物理的熱點問題。然而，眾多的理論分析指出，由于量子漲落，連續(xù)“時間晶體”相很難穩(wěn)定地存在于處于平衡態(tài)的系統(tǒng)中。

圖1.(a)實驗裝置實拍圖。該裝置中原子氣體處于室溫，不需要額外制冷。(b)實驗裝置示意圖。對向入射的耦合光(Coupling)與探測光(Probe)會將基態(tài)原子激發(fā)到里德堡態(tài)并對探測光形成電磁誘導(dǎo)透明(EIT)。另一束參考光(Reference)用于差分測量。(c)典型的時間晶體振蕩信號

　　近期，清華大學(xué)物理系尤力教授研究組在“時間晶體”研究中取得突破性進展，他們首次在強相互作用的室溫里德堡氣體(圖1)中觀測到了持續(xù)且穩(wěn)定的時間晶體信號，其振蕩幅度在實驗觀測時間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)任何衰減。不同于傳統(tǒng)的有限溫體系，研究所構(gòu)建的系統(tǒng)是一種非平衡態(tài)系統(tǒng)，其中里德堡原子間的長程相互作用，相干的外場驅(qū)動，以及原子的自發(fā)輻射等耗散之間的協(xié)同作用是“時間晶體”得以穩(wěn)定存在的關(guān)鍵。這種特殊的“時間晶體”也被稱為“耗散時間晶體”。

圖2.長程時間序的建立。(a)系統(tǒng)的單次淬火動力學(xué)信號。(b)不同時間段振蕩信號的傅立葉變換。(c)傅立葉變換的峰值頻率隨著時間演化逐漸穩(wěn)定。(d)不同時間段系統(tǒng)的自關(guān)聯(lián)函數(shù)

　　在此基礎(chǔ)上，團隊成員測量了系統(tǒng)的淬火動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過一個短暫的弛豫過程后系統(tǒng)才在時間維度上建立起真正的長程序(true long-range order)，形成穩(wěn)定的(時間)晶格結(jié)構(gòu)(圖2)。同時，研究團隊發(fā)現(xiàn)觀測到的振蕩信號對外界噪聲具有很好的抗干擾性，即使人為地添加很強的噪聲，“時間晶體”相也不會完全被破壞。進一步，研究團隊與(前)奧胡斯大學(xué)的楊帆博士和托馬斯·波爾(Thomas Pohl)教授展開理論合作，揭示了該系統(tǒng)中形成“時間晶體”的另一關(guān)鍵機制：多種里德堡組分之間的相互競爭，并進行了實驗驗證。

　　相關(guān)研究成果以“強相互作用的里德堡氣體中的耗散時間晶體”(Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas)為題，于7月2日發(fā)表于《自然·物理》(Nature Physics)雜志。

　　清華大學(xué)物理系2017級博士生吳曉凌、2021級博士生王竺卿、2015級博士生楊帆(現(xiàn)為奧地利因斯布魯克大學(xué)博士后研究員)為論文的共同第一作者。北京量子信息科學(xué)研究院助理研究員李相良、奧地利維也納工業(yè)大學(xué)教授托馬斯·波爾(Thomas Pohl)和尤力為論文的通訊作者。合作者還包括清華大學(xué)物理系2022級博士生高若晨、2018級博士生梁超、副教授鄭盟錕。研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國家重點實驗室、量子信息前沿科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院和合肥國家實驗室的資助。

　　文章鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9