“时间晶体”相互作用首次发现,有望改进原子

科学家有史以来第一次观察到了 “时间晶体” 的相互作用。

这项研究发表在《自然 · 材料学》杂志上。来自兰卡斯特大学的第一作者萨穆利·奥蒂(Samuli Autti)博士说:“控制两种时间晶体的相互作用是一项重大成就。在此之前,没有人在同一个系统中观察到过两个时间晶体,更不用说看到它们之间的相互作用了。受控反应是将时间晶体进行实际应用(如量子信息处理)的第一步。”

“时间晶体”相互作用首次发现,有望改进原子钟技术

图|阿尔托大学的旋转制冷装置(来源:阿尔托大学 / Mikko Raskinen)

该成果可能会在量子信息处理领域得到应用。众所周知,保护量子位的相干性是阻碍强量子计算机发展的主要困难,而时间晶体具有在不同的条件下自动保持完整 - 相干的特性。

时间晶体的相互作用

时间晶体不同于常规的晶体类金属或岩石。常规晶体由原子在空间中呈周期性重复排列而成,而时间晶体则在时间上呈周期性重复,这使得时间晶体呈现永动状态。时间晶体有一种奇异的特性,即在没有外部输入的情况下,在时间内不断重复运动。它们的原子不断地振荡、旋转,或者先向一个方向运动,然后再向另一个方向运动。

在这项最新研究中,来自兰卡斯特大学、耶鲁大学、伦敦皇家霍洛威大学和阿尔托大学的国际研究小组使用 He-3 观测了时间晶体。He-3 是缺失一个中子的罕见的 He 同位素。这一实验是在阿尔托大学进行的。

研究人员将超流体 He-3 冷却到接近绝对零度(0.0001K 或 - 273.15℃)。随后研究人员在超流体中制造了两个时间晶体,并让它们相互接触。之后,科学家们观察到两个时间晶体相互作用,并交换组成粒子:粒子从一个时间晶体流向另一个时间晶体,然后返回。这种现象被称为约瑟夫森效应。

8 年时间快速发展

量子化时间晶体的概念是由诺贝尔奖得主弗兰克 · 维尔泽克(Frank Wilczek)在 2012 年首次提出的。

后来的研究为时间晶体制定了更精确的定义。科学家已经证明,如果只涉及局部相互作用,时间晶体就不可能处于平衡状态。

然后 2014 年,克里斯托弗·萨查(Krzysztof Sacha)预测了离散时间晶体在一个周期性驱动的多体系统中的行为。

2016 年,诺曼·姚(Norman Yao)等人提出了在自旋体系中制作离散时间晶体的不同方法。克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)和米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)分别在实验室证实了这一点。这两项实验都发表在 2017 年的《自然》杂志上。

2019 年,理论上证明了量子时间晶体可以在多粒子长期相互作用的孤立系统中实现。

时间晶体具有很大的实际应用潜力。它们可以用来改进目前的原子钟技术。原子钟是一种复杂的时钟,它能达到的目前为止最精确的时间。时间晶体还可以改进诸如陀螺仪之类的技术,以及依赖原子钟的系统,如 GPS 等。

 

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