中国科大首次观测到时间晶体分岔现象

中国科大首次观测到时间晶体分岔现象

中国科学技术大学郭光灿院士团队在时间晶体研究领域取得重要突破。该团队首次在驱动耗散的里德堡原子系统中观察到时间晶体的分岔现象，这一发现不仅深化了人们对时间晶体这种特殊物质状态的理解，也为量子系统的非平衡动力学研究提供了新的实验平台。

根据热力学第二定律，系统的熵随着时间的推移不断增加，最终导致系统达到热平衡状态。但在驱动耗散的里德堡原子系统中，原子间的强相互作用会改变系统的能量状态和动力学演化进程，使得系统不会弛豫到平衡态，反而产生相干振荡。在这一过程中，系统响应的时间平移对称性产生自发破缺，进而形成时间晶体。

图1 物理示意图，（a）为包含多个里德堡态的系统能级图，（b）为实验系统示意图，（c-f）为系统的时间响应以及对应的傅里叶变化振幅和相位分布。通过调节系统参数，系统响应表现出不同频率的自发振荡。

课题组通过施加射频电场对处于不同里德堡能级的原子之间的相互作用进行精准调控，成功地在具有强相互作用的里德堡原子气体中观察到具有不同频率的时间晶体。不仅如此，研究团队还在实验中获得了时间晶体随失谐变化的相图。通过分析相图，人们可以清晰地观察到时间晶体从倍周期分岔逐步演变为混沌状态的相变过程。与此同时，通过对系统参数进行精细调控，研究团队进一步观察到时间晶体的双稳态现象。

图2 时间晶体的分岔效应，（A）系统响应随着失谐变化的相图，（B-E）时间晶体倍周期分岔直至混沌的相变过程；时间晶体随着电压变化的双稳态现象，（a）时间晶体随电压变化的相图，（b）时间晶体频率随电压的变化关系，(c)不同频率的时间晶体傅里叶频谱。

论文的审稿人认为“这项工作的实验结果是值得关注的，其相对简单的实验装置和参数控制对于时间晶体的研究意义重大，推动了该领域的发展”。

这项研究不仅展示了中国在量子科技领域的最新突破，也为全球科学家提供了新的研究思路和实验平台，有望推动相关领域的进一步发展。