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《星际穿越》里的事儿是真的 科学家造出时间晶体

众所周知常规晶体是一个三维物体,它们的内部原子按照有规则的顺序重复排列而构成。宇宙中所有自然形成的和人造出来的晶体都不同程度地打破了空间对称性,而现在又有一种新型晶体被人类造了出来,它除了满足一般晶体的特征外,还打破了时间维度上的对称性,这就是时间晶体,它们处在持续振荡的状态中,却没有任何能量。

《星际穿越》里的事是真的!科学家造出新物质——时间晶体

最早提出时间晶体这一设想的是麻省理工学院获诺贝尔奖的物理学家Frank Wilczek,他在2012年提出了这种在基态:物质的最低能量状态仍然能够呈现出震动的物质。通常来说,处于基态:零能量状态的系统无法呈现出任何运动,因为任何的运动都需要能量。 但是对时间晶体却并非如此。时间晶体就像是在自然的基态条件下持续振荡的“果冻”,它不可能保持静止,这使得它成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。

马里兰大学联合量子研究所(JQI)与加州大学伯克利分校组成合作团队,在一条由10个镱离子构成的离子链中,用激光诱发了三种不同反应,从而造出了时间晶体。他们用激光脉冲轰击原子离子,激发出磁场,然后用另一道激光稍微翻转原子的自旋方向。这一过程不断重复,最终创造出了按时间排列的重复翻转结构。而另一组Mikhail lukin领导的哈佛团队通过在钻石中掺杂氮原子得到空穴,也制造出他们的时间晶体。在观察镱原子排列时,研究者们注意到了一些奇特的现象:定期照射镱原子的两束激光使镱原子系统产生了一种周期性重复,这一周期是激光照射周期的两倍,在通常的系统中观察不到这样的现象。在不同的磁场和不同的激光脉冲中,时间晶体会发生物态改变,就像冰块融化一样。

Norman Yao解释说:“这里面最大的突破,与其说是这些晶体做到了在时间上周期性重复”,倒不如说是我们第一次大规模制造出了非平衡态的新材料。它们的基态永不停歇,无法像钻石或者红宝石那样回到相对静止的平衡态。”“这是一种新的物质状态,仅此而已。但它同样酷的地方在于这是第一个非平衡态的物质状态”,Norman Yao说。在过去的半个世纪里,我们一直在研究平衡态的物质,比如金属和绝缘体,而今天我们将开始探索非平衡态物质的奇妙世界。”

时间晶体对普通人来说可能遥不可及,但在物理学研究中却意义重大,它有能展示物理学核心概念中关于“时间平移对称性的自发性破缺”存在的意义。这将帮助我们更加深刻地理解周围世界,并且有助于我们理解新兴的科学技术,如量子计算等。时间晶体的发现印证了对称性的破缺在自然界中广泛存在,也为全新领域的研究开辟了道路。(科技新发现 康斯坦丁/文)

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