探索發(fā)展對量子系統(tǒng)中時間晶體行為的理解已經(jīng)采取了一個新的，令人興奮的轉(zhuǎn)折。來自冰島?？巳卮髮W(xué)和圣彼得堡ITMO大學(xué)的物理專家透露：封閉量子系統(tǒng)中存在真正的時間晶體是可能的。

與迄今為止被認為是非平衡開放量子系統(tǒng)的其他研究不同，在這些系統(tǒng)中，驅(qū)動的存在會導(dǎo)致時間周期振蕩，研究人員在理論上發(fā)現(xiàn)了一個時間相關(guān)性存在無限長時間的量子系統(tǒng)，這項研究作為編輯的建議發(fā)表在《物理評論快報》上。

這項研究可能為開發(fā)新的、令人興奮的應(yīng)用鋪平道路，例如一種新型原子鐘。時間晶體(TC)的概念最早是由受人尊敬的諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·威爾塞克(Frank Wilczek)在2012年提出。建立時間晶體作為物質(zhì)新階段的中心作用，對應(yīng)于時間平移對稱性的打破。在日常生活中，我們被固體包圍著，在固體中，原子和分子沿著空間坐標(biāo)形成一個周期性的結(jié)構(gòu)。與普通晶體（如鉆石）由原子在空間中規(guī)則排列所定義的性質(zhì)不同，時間晶體相反顯示出在時間上重復(fù)的不斷變化行為模式。

然而，在保持平衡的完美隔離量子系統(tǒng)中，時間平移對稱性打破的可能性被證明是非常困難的。值得注意的是，Haruki Watanabe和Masaki Oshikawa證明的定理指出，時間晶體的量子版本是不可能的，除非：在真正的量子系統(tǒng)中存在高度非局域相互作用，或者2考慮驅(qū)動系統(tǒng)。特別是，利用第二個漏洞，科學(xué)家在近幾年已經(jīng)表明，不同的時間晶體變體（最明顯的是離散或Floquet時間晶體）是可能產(chǎn)生的。問題是：時間晶體的原始概念能實現(xiàn)嗎？就這樣留在空中？

在這項新研究中，由?？巳卮髮W(xué)Oleksandr Kyriienko領(lǐng)導(dǎo)的研究小組表明：有可能“繞過”量子時間晶體存在的禁止定理，并且真正的時間晶體秩序確實是可能的。關(guān)鍵成分對應(yīng)于找到哈密頓量（一種描述量子系統(tǒng)能量的算符）完全滿足Watanabe和Oshikawa提出的時間晶體行為條件。研究小組發(fā)現(xiàn)，打破時間平移對稱性的系統(tǒng)必然具有多粒子相互作用（所謂的“弦”），其中至少有一半的粒子同時相互作用。由于對應(yīng)于薛定諤貓態(tài)兩個最大糾纏態(tài)之間的耦合，關(guān)聯(lián)的基態(tài)關(guān)聯(lián)函數(shù)顯示出永久振蕩。

這些發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)家進一步理解物質(zhì)凝聚態(tài)是如何表現(xiàn)的，并為動力學(xué)秩序的物理學(xué)提供線索。作為打破連續(xù)時間平移對稱性的第一步，這項研究吸引了科學(xué)家們對其他可能量子系統(tǒng)的關(guān)注，在這些系統(tǒng)中，長程相互作用可能會產(chǎn)生有價值的動力學(xué)。Oleksandr Kyriienko表示：現(xiàn)在我們知道，時間平移對稱性可以被高度非局部相互作用打破，我們能否改進這一點，并擁有具有減少相互作用的實際有用系統(tǒng)，其中相關(guān)性可以無限次存在？還不確定，但我們渴望找到答案。

研究/來自：埃克塞特大學(xué)

參考期刊《物理評論快報》 DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.210602

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