全新物质形态：时间晶体
全新物质形态：时间晶体
导读：时间晶体是近年来物理学领域的一个重要突破。2012年，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔泽克首次提出这一概念。2024年7月，奥地利和中国科学家首次成功制造出时间晶体，这一发现不仅验证了理论预测，更为量子科技的发展开辟了新的方向。
我们所认知的物质多是由原子随着空间规则排列形成的晶体，2012年时，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔泽克提出一种猜想：“物质能不能随着时间排列而非空间？”这样的假想物质被称为时间晶体。直到2024年7月，奥地利和中国的科学家首次制造出时间晶体，此研究利用纳米光束激发铯原子形成里德堡态，观察到电子之间的强相互作用导致周期性地振荡，此研究证实了时间晶体的存在，且时间晶体对外扰动具有更强的抵御力，能延长量子状态的寿命有助于量子科技的发展，不仅如此，时间晶体的出现还能提供全新的视野使我们一窥大自然随时间演进成有序系统的奥秘。
我们生活中常见的物质都属于空间晶体，它们是由原子以规律性和对称性的方式排列而成的固体材料，这种排列方式在空间上形成了周期性的结构，使得晶体在特定的方向上具有重复的图案，像是我们常见的食盐（NaCl）就是以钠离子（Na+）和氯（Cl-）离子按规律排列而形成的立方体结构。空间晶体也是我们对物质最直观的理解，从都市规划、房屋建筑、室内设计到整理桌面，我们都是以空间的概念来安排的。时间是与空间唇齿相依的概念，因此，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔泽克曾在2012年提出一个对物质描述的假设：时间晶体，也就是在时间维度上具有周期性结构的物质，换句话说，物质将进入一种周期性的运动，在特定的时间间隔内重复其状态，而这一假设挑战了科学家对平衡态系统的认识，因为过去我们对于平衡的认知都是在空间上的，像是我们看到101大楼稳稳地竖立在台北信义区一样，若是101大楼会“稳定地”忽而变成摩天轮，过一段时间又变回来，一定会影响大家的使用体验。时间晶体的概念一直被广泛地讨论，直到2024年7月，奥地利维也纳大学与北京清华大学的研究团队首次在实验上成功地制造出时间晶体，被刊登在《自然·物理》期刊上。
图1：空间晶体示意图，在我们的日常认知中，物质都是以规律的方式沿着空间排列所组成 | 来源：DALL-E AI模型
在了解如何创造出时间晶体前，我们需要先了解什么是里德堡原子，里德堡原子是一种具有极高激发态的原子，环绕在里德堡原子外层的电子被激发到非常高的能级上，使得里德堡原子的电子轨道半径变得非常大，通常是基态原子的数百倍到千倍之间。在这种情形下，电子与原子核的距离非常远，所以受原子核的影响较弱，反而对外部的电场或磁场变得非常敏感，因此在两个里德堡原子之间，高激发态的电子之间将产生极强的相互作用（偶极矩）。在这项研究之中，研究人员利用纳米波长的光束将铯原子（Rubidium, Rb）激发到高能级的里德堡态，并利用光束与铯原子气体的相互作用，以光电检测器观察原子密度以及偶极矩随着时间变化，发现了光信号的强度以高度规律的方式振荡，这些振荡是由于里德堡原子之间的强相互作用，当入射光束同时激发两种不同的里德堡态时，导致原子之间产生了自发振荡，而这种模式与弗兰克·威尔泽克提出的概念相仿，证实了时间晶体的存在。试着用生活的经验来理解，我们可以将里德堡原子的电子想象成一个飞得极高的风筝，因为风筝离地面（原子核）非常地远，所以不容易受到地面的气流、地形或其他障碍影响，而当这风筝（电子）在高空遇上另一个风筝时，这两个风筝是带着电荷的，所以彼此会相互作用，两个在高空的风筝缠绵时，也会使得在地面拉着风筝的人们跟着转了起来，仿佛跳起舞来，跟着节奏摆动（振荡）。
图3：里德堡态的原子拥有非常高能阶的电子，就像放得非常高的风筝，同时两个非常高的风筝相互作用，能使得在地面的两个人像在跳舞一样，随着节律摆动，里德堡原子之间也产生了周期性的振荡，形成了时间晶体 | 来源：DALL-E AI
时间晶体的发现为基础物理学提供了一个新的研究方向，通过时间晶体的行为可以丰富人类对大自然的理解。由于时间晶体是一种随周期改变的物质状态，也就是处于一种“稳定又不平衡的状态”，属于“非平衡动力学”，这门研究主要用来理解外部驱动力与内部相互作用的共同作用之下，系统会如何演化以致形成一个稳定的结构。在大自然之中，多数的系统都处于这种非平衡的状态，像是生物的新陈代谢、海洋环流、台风与暴风，还有像是大自然中随时间形成的有序结构，像是细胞分裂、矿物结晶、甚至遥远的星系形成，因此对于时间晶体更深入的研究，都将会使我们更理解大自然背后的运作模式，也就能更清楚知道“大自然如何随时间成为了有序的结构”。
在科技的应用上，相对于空间晶体，时间晶体对外部的扰动有更强的抵抗能力，在《自然·物理》期刊上的这篇报道显示出即使在时间晶体系统引入外部干扰，这些振荡仍能够保持稳定，而这对目前正在发展的量子科技极有帮助，因为目前量子科技的瓶颈就在于其量子状态对环境极为敏感，环境的变化容易造成量子现象的消逝。用放风筝的例子来理解的话，我们可以想象在风筝底下的两个人在跳舞，相比起独自一人孤独地放风筝，别人应该更不敢来搭讪吧？在跳舞的两个人总比独自一个人更有对外抵御的能力。
参考文献
- Wu, X., Wang, Z., Yang, F., Gao, R., Liang, C., Tey, M. K., ... & You, L. (2024). Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas. Nature Physics, 1-6.
- Ciccotti, G., Kapral, R., & Sergi, A. (2005). Non-Equilibrium Molecular Dynamics. , 745-761.