科學家發現物質的新相態：時間晶體

自發性時間平移對稱性破缺(spontaneous breaking of discrete time translation symmetry)的時間晶體。

「晶體」這詞，對一般人來說，是純凈透明的珠寶，或是璀璨生輝的水晶。

對學霸來說，「晶體」指的則是固態物質的一種，其原子或分子在三維空間按一定規律周期重複地排列。

而對每周工作時間超過100小時的加州大學伯克利分校研究者Norman Yao來說，傳統意義上的「晶體」不過是宇宙冰山中一角。

這位物理學助理教授在去年與馬里蘭大學和哈佛大學的兩組研究者獨立製造出了「時間晶體」(time crystals)，並成為了這兩份論文的合著者。在上周發表於期刊Physical Review Letters上的一篇論文中，這位正式介紹了製造時間晶體的辦法，並且介紹了這一種相態的性質。

基於Norman Yao提供的藍圖，馬里蘭大學的研究者們使用磁場和激光，將一維方向上排列的鐿離子鏈轉化為了時間晶體。這些粒子之間展現出如箭頭所示了遠距離交互作用。

愛因斯坦告訴我們，我們所生活的世界是個四維空間。除了我們看得見摸得到的三維空間外，還存在「時間」這第四個維度。

既然普通的晶體，如六邊分形的雪花或是蜂窩六面體的鑽石，在三維空間里有規律地排列著，那麼有沒有一種物質形態，在時間軸上也存在著固定的周期性變化？

時間晶體這一概念，在2012年由諾獎得主維爾切克(Frank Wilczek)首次提出。2016年，來自普林斯頓大學和加州大學聖塔芭芭拉分校的理論物理學家各自獨立證明了這種晶體存在的合理性。Yao表示，該伯克利研究組是「鏈接理論想法和實驗驗證的橋樑。」

時間晶體在時間上呈有規律的重複排列。Yao表示，時間晶體是一種新的相態，是目前剛剛被物理學界發現的非平衡態物質(non-equilibrium matter)之一。「在過去的半個世界裡，我們一直在探究平衡態物質。對非平衡態物質領域的探索才剛剛開始。」

這個相態圖體現了在特定情況下，時間晶體可以「融化」成隔熱物，或悲加熱成高溫熱態。

從量子力學的角度看，電子可以組成一種特殊的，穩定的，可以被稱為晶體的物態，不遵循原子組成的三維結構需要遵循的空間平移對稱性(spatial translation symmetry)原則。

時間晶體打破了普通晶體帶有的時間對稱性。三維晶體的振動頻率不會高於驅動源帶給其的振動頻率。(想像你在跳繩，繩子翻轉的速度不會高於你手甩動的速度。)而在實驗室里造出的時間晶體中，鐿原子系統的振動頻率可以達到兩倍於驅動源的頻率。(如手只甩了一圈，手中的跳繩卻轉了兩圈。)

Yao本人還沒有發現時間晶體的實際利用渠道，但在理論上，其它非平衡態物質又保持完美記憶的能力(不需要外部能量輸入便能保持內部運動狀態)，或將被用於量子計算機中。在物理學家的想像里，如果人類能將時間晶體和空間晶體的特性結合，我們便能製造出能保持到宇宙盡頭的時空晶體。

[zzjeff via Berkeley News & APS Physics]