物理學(xué)家首次制造出時間晶體，經(jīng)典對稱性最后一塊面紗被揭開
主編點評
設(shè)想平滑空間中有一團原子，當我們降低其溫度的時候，這些原子會排列成一個規(guī)則的點陣。這個規(guī)則的點陣就是我們所熟知的晶體。這種空間上重復(fù)結(jié)構(gòu)的自發(fā)產(chǎn)生，稱為空間平移自發(fā)對稱性破缺——也就是連續(xù)的空間平移對稱性被降低為離散的點陣平移對稱性。
自發(fā)對稱性破缺這一觀點十分重要。它是我們理解幾乎所有物質(zhì)態(tài)的鑰匙。
那么是不是也有可能自發(fā)產(chǎn)生時間上的重復(fù)結(jié)構(gòu)？本文就介紹了這一方面的進展。這種時間上重復(fù)結(jié)構(gòu)的自發(fā)產(chǎn)生（自發(fā)時間平移對稱性破缺）被稱之為時間晶體。時間晶體算不算一個新發(fā)現(xiàn)？它新在什么地方？
其實時間上重復(fù)結(jié)構(gòu)的自發(fā)產(chǎn)生（自發(fā)時間平移對稱性破缺）是一個大家司空見慣的現(xiàn)象，并不是什么新發(fā)現(xiàn)。一個鐘擺的周期運動，就是時間上重復(fù)結(jié)構(gòu)的自發(fā)產(chǎn)生。在這個意義上也可以被叫做時間晶體。每個計算機手機中都有一個電子振蕩器，也自發(fā)產(chǎn)生時間上的重復(fù)結(jié)構(gòu)。這一重復(fù)結(jié)構(gòu)的重復(fù)率，就是我們所熟知的中央處理器的頻率。這些時間上重復(fù)結(jié)構(gòu)可以非常的穩(wěn)定，這就是為什么電子表非常準（電子表內(nèi)也有一個電子振蕩器）。
所以，自發(fā)時間平移對稱性破缺不是一個新發(fā)現(xiàn)，它就是我們所熟知的鐘表。那么這篇文章中講的時間晶體，到底有沒有新穎之處？我們上面講的“時間晶體”都有一個共性：它們運行時都發(fā)熱。這篇文章中講的時間晶體在這一點上是不同的，它運行時不發(fā)熱。所以這篇文章中講的時間晶體，可以通俗地說是一個“不發(fā)熱的鐘表”。“不發(fā)熱”是新東西。所以看這方面的實驗文章，不需要去追究有沒有看到周期結(jié)構(gòu)，因為這個現(xiàn)象不是新的。要去追究有沒有不發(fā)熱，這才是新東西。
時間晶體是一個新的研究課題，以上是我個人對這方面的理解，不一定正確，不一定抓住了問題的本質(zhì)。歡迎讀者指正。批判性地閱讀，不盲目接受一個觀點，對各種事物都形成自己的看法，也是一種重要的科學(xué)精神。
——文小剛
撰文：梁柱
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說到晶體，大家最容易想到的便是鉆石，這些閃爍奪目的石頭是由不計其數(shù)的碳原子有序重復(fù)排列而成的。而對于物理學(xué)家而言，晶體與宇宙中的一項基本性質(zhì)對稱性有關(guān)。
宇宙中所有自然形成的和人造出來的晶體都不同程度地打破了空間對稱性，而現(xiàn)在又有一種新型晶體被人類造了出來，它除了滿足一般晶體的特征外，還打破了時間維度上的對稱性，這就是時間晶體（time crystals ）。在這種全新的晶體里，晶格將會在時間這個維度上進行有序重復(fù)。
至此，經(jīng)典對稱性最后一塊面紗——時間對稱——終于被人類揭開，這是物理學(xué)上的一項重大成果。
物理學(xué)家曾希望通過“離子阱”來創(chuàng)造“時間晶體”，這是一種在不消耗能量的前提下，以固定模式運動的物質(zhì)。
盡管如同石墨烯最初一般，時間晶體到底有些什么應(yīng)用現(xiàn)在還并不明確。但至少有一點是肯定的，時間晶體的超級穩(wěn)定性可以作為對抗退相干效應(yīng)的有力武器，來保證一個量子態(tài)的壽命。如果量子態(tài)可以被強化，它還可用作制造更穩(wěn)定的量子計算機內(nèi)存，和進行更精確的測量。
時間晶體
2016 年 8 月，arXiv上面放出了一篇文章聲稱時間晶體是可行的！該文剛剛在上周的物理評論快報上發(fā)表，作者是加州大學(xué)伯克利分校物理系的助理教授Norman Yao。在這篇論文中，Norman Yao詳細描述了受到外部驅(qū)動的時間晶體所具有的性質(zhì)：基態(tài)呈現(xiàn)周期性， 且為驅(qū)動周期的整數(shù)倍，周期穩(wěn)定，有清晰的相變邊界。
他還提出了制備時間晶體的具體方案。在他的方案中，由加州大學(xué)伯克利領(lǐng)導(dǎo)的團隊會制造一個只有頭發(fā)絲十分之一細的微小“陷阱”，然后將100鈣離子注入到這個陷阱中，庫侖作用會讓這100個離子均勻地散開到陷阱的邊上。此時經(jīng)過激光冷卻后的離子都處于基態(tài)，然后研究人員會開啟一個靜磁場，根據(jù)Yao的理論，鈣離子環(huán)會在磁場中開始轉(zhuǎn)動（而且會永久地轉(zhuǎn)下去）。如果一切順利，這些離子每隔一段時間就會回到最初的位置上，從而形成一個個在時間上重復(fù)排列的“晶格”，時間對稱性由此被打破。
Norman Yao
很快，兩個研究團隊就依照Norman Yao所描繪的藍圖分別制造出了他們的第一個時間晶體，使用的是完全不同的設(shè)備。這兩個來自馬里蘭大學(xué)和哈佛大學(xué)的團隊分別在網(wǎng)上公布了他們的成果并提交發(fā)表，Norman Yao是這兩篇論文的共同作者。
時間晶體之所以在時間上不斷重復(fù)是因為它們受到了一種周期性的沖力，就像不斷地彈一塊果凍讓它周期性晃動一樣。Norman Yao解釋說，這里面最大的突破，與其說是這些晶體做到了在時間上周期性“重復(fù)”，倒不如說是我們第一次大規(guī)模制造出了非平衡態(tài)的新材料。它們的基態(tài)永不停歇，無法像鉆石或者紅寶石那樣回到相對靜止的平衡態(tài)。
“這是一種新的物質(zhì)狀態(tài)，僅此而已。但它同樣酷的地方在于這是第一個非平衡態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)”，Norman Yao說，“在過去的半個世紀里，我們一直在研究平衡態(tài)的物質(zhì)，比如金屬和絕緣體，而今天我們將開始探索非平衡態(tài)物質(zhì)的奇妙世界。”
加州大學(xué)伯克利分校的時間晶體實驗說明：通過電場將鈣離子圍繞在一個100微米寬的“陷阱”中，使它們形成晶體圓環(huán)?？茖W(xué)家們相信，靜磁場會使圓環(huán)轉(zhuǎn)動。
不被看好的發(fā)現(xiàn)
那么為什么時間對稱性如此難以打破呢？這還要從晶體與對稱性破缺來說起。
眾所周知，自然法則本身都是滿足對稱性的。在平地上做力學(xué)實驗，和在一列高速行駛的列車上做的實驗得到的結(jié)果是相同的，昨天和今天做相同的實驗得到的結(jié)果也是相同的，因為力學(xué)原理滿足空間平移對稱性和時間平移對稱性。此外，還有旋轉(zhuǎn)對稱性和反轉(zhuǎn)對稱性等。
對稱性體現(xiàn)了自然的美與和諧，但是物理體系的穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)）卻不是對稱的。舉個簡單的例子，在桌子上豎起一支鉛筆，理論上鉛筆受到的重力垂直向下，在水平面上是對稱，也就是說鉛筆向任意一個方向倒下的概率相等。這時候鉛筆的狀態(tài)體滿足對稱性。
然而，豎立并不是鉛筆能量最低的狀態(tài)，當一個微小擾動出現(xiàn)，它只能選擇一個方向倒下。鉛筆倒下的狀態(tài)能量最低（即基態(tài)），也沒有了對稱性。更一般的來講，晶體便是一個打破對稱性的極佳例子，在不同的方向上看晶體，看到的是不同的樣子。這種自然法則對稱而物質(zhì)狀態(tài)不對稱的現(xiàn)象叫做自發(fā)對稱性破缺。
既然空間對稱性可以被打破，那么時間對稱性為什么不能呢？
Frank Wilczek
2012年，諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek 提出了這個問題。同年他在Physics Review Letters上面發(fā)表了兩篇論文，分別闡述了經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)下的時間對稱性破缺的可能性。
簡單來說，就是通過一種特殊方式，可以讓物質(zhì)的基態(tài)處于一種周期中。對應(yīng)于晶體結(jié)構(gòu)在空間上的周期排列，這種材料在時間上也是“周期排列”的，他給這種材料取了個很形象的名字——時間晶體。值得注意的是，一般晶體在時間這個維度上是連續(xù)分布的，在任何一個時刻觀察它們都會看到同樣的晶體，而時間晶體在不同的時間卻有著不同的基態(tài)。
問題是對稱的，解決方案不對稱；自然法則是對稱的，物質(zhì)受法則支配的狀態(tài)不對稱，這就是自發(fā)對稱性破缺。
在之后的幾年里，很多物理學(xué)家對時間晶體的存在依舊持反對態(tài)度，因為他們認為，時間晶體必然會引發(fā)時間維度上的對稱性破缺，而這是不可能的。雖然周期現(xiàn)象在我們的生活中無處不在（鐘表，地球自轉(zhuǎn)等等），但還無法證明任何一種物質(zhì)的基態(tài)可以在光溜溜的時間軸上打上周期的烙印。
時間晶體的本質(zhì)
根據(jù)UC Berkeley 物理學(xué)家Norman Yao的藍圖，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家第一次用一維的鐿離子鏈造出了時間晶體。每一個離子都像電子那樣擁有自旋，它們之間的長程作用力如圖中箭頭所指。
依照Norman Yao的藍圖，馬里蘭大學(xué)的Chris Monroe和他的同事在2016年9月用10個鐿離子構(gòu)建了一條鏈，這10個鐿離子像電子一樣具有自旋。也就是說，它們不再各向同性，而是像箭頭一樣會指向一個特定的方向，并且這些帶有自旋的離子在磁場中會發(fā)生相互作用。
研究人員用兩束精確調(diào)制的激光脈沖交替照射鐿離子鏈。其中一個脈沖使鐿離子的自旋翻轉(zhuǎn)（比如從向上到向下，或者相反），然后緊接著第二個脈沖產(chǎn)生的磁場使其進入混亂的狀態(tài)，隨后又一個脈沖使它們再翻轉(zhuǎn)方向，如此往復(fù)。
研究人員發(fā)現(xiàn)自旋的翻轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定在了驅(qū)動周期（T）的2倍長度（2T）。神奇的是，雖然每一次的翻轉(zhuǎn)脈沖完全一樣，但鐿離子們卻自發(fā)地偏向了一個與上一個方向不同的方向，而不是選擇回去；更神奇的是，即使中途稍微改變一下脈沖的頻率，鐿離子仍然嚴格地以2T為周期翻轉(zhuǎn)。這正是Norman Yao的論文中時間晶體必須具備的性質(zhì)。
鐿離子在兩個脈沖下實現(xiàn)周期性翻轉(zhuǎn)。脈沖頻率是T，自旋系統(tǒng)頻率是2T。脈沖頻率的微波改變并不會影響鐿離子的番頻率。
“當你晃動一個果凍，然后發(fā)現(xiàn)它以一個不同的頻率作為回應(yīng)，這難道不奇妙嗎？”Norman Yao說?！?span style="max-width: 100%; color: rgb(217, 33, 66); box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">但這就是時間晶體的本質(zhì)，你的驅(qū)動周期為T，但是當系統(tǒng)達到同步后你卻觀察到它在以一個比T大的周期振動?！?/strong>
Norman Yao曾參與Monroe和其團隊制造這種新材料的全部過程，在他幫助下，團隊測量了材料的一些重要特性以保證其具有時間晶體的特性。Norman Yao還描述了在不同的磁場和激光頻率下，時間晶體如何像冰塊熔化一樣改變其狀態(tài)。而另一邊，Mikhail lukin領(lǐng)導(dǎo)的哈佛團隊通過在鉆石中摻雜氮原子得到空穴，也制造出他們的時間晶體。而他們的時間晶體還有3T的周期，同樣具有極佳的穩(wěn)定性和清晰的狀態(tài)邊界。
印地安那大學(xué)的Phil Richerme在物理評論快報上對這篇論文評論說：“如此相似的結(jié)果竟出自于兩個毫不相干的系統(tǒng)，這更加印證了時間晶體是廣泛存在的一種新的物質(zhì)狀態(tài)，而不是用某個復(fù)雜系統(tǒng)通過精心設(shè)計而成的什么新奇玩意兒。時間晶體的發(fā)現(xiàn)印證了對稱性的破缺在自然界中廣泛存在，也為全新領(lǐng)域的研究開辟了道路?！?/span>
目前，Norman Yao正在對一些新的可能的非平衡態(tài)材料做理論研究，繼續(xù)著他的時間晶體探索之路。
參考：https://phys.org/news/2017-01-physicists-unveil-mattertime-crystals.html
https://www.wired.com/2013/04/time-crystals/amp/
② 時間反演與自轉(zhuǎn)的電子 | 當阿熱遇見賽先生
③ 什么是對稱？
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