清華新聞網(wǎng)7月8日電 自發(fā)對稱性破缺是近代物理學最重要的概念之一，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)破缺會使得物質中的原子在空間上形成有序的周期分布，從而導致了晶體的產(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致時間平移對稱性的自發(fā)破缺，并在時間維度上結晶。2012年，諾貝爾獎物理學獎得主弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）首次預言了“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，呈現(xiàn)持續(xù)的周期性振蕩行為。自此，關于“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)的自關聯(lián)函數(shù)
在此基礎上，團隊成員測量了系統(tǒng)的淬火動力學，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）晶格結構（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博士后研究員）為論文的共同第一作者。北京量子信息科學研究院助理研究員李相良、奧地利維也納工業(yè)大學教授托馬斯·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基金委、科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、量子信息前沿科學中心、北京量子信息科學研究院和合肥國家實驗室的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
