耗散时间晶体的首次实验实现

　　图示中心有玻色-爱因斯坦凝聚的光学腔。来源:Keßler等人。
　　时间晶体是由美国物理学家弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)在2012年首次预言的一种独特而奇异的物质相。时间晶体是更传统的空间晶体在时间上的类似物，因为两者都是基于以重复模式为特征的结构。
　　与空间晶体在三维(3D)空间中形成重复的模式不同，时间晶体的特征是在固定的模式中随时间发生变化。虽然一些研究团队已经能够实现这些奇特的物质相，但到目前为止，这些实现都是通过封闭系统实现的。这就提出了一个问题:在有耗散和消相干的开放系统中，时间晶体是否也能实现。
　　汉堡大学激光物理研究所的研究人员最近首次在开放量子系统中实现了时间晶体。他们发表在《物理评论快报》上的论文，可能对研究量子系统中物质的奇异相具有重要意义。
　　＂我们研究的主要目标是研究物质的动力学相，这些相的性质是如何随着时间的推移而有序地变化的，＂进行这项研究的研究人员之一Hans Keßler告诉Phys.org。＂在我攻读博士期间，我和我的同事研究了从均匀BEC到自有序超辐射相的相变，我们研究了系统从一种稳态到另一种稳态的猝灭反应。＂
　　由于没有一种物理状态是天生稳定的，所以Keßler和他的同事之前进行的研究的下一步是研究物质的动力学相。这些本质上是物质随着时间改变其属性的转变。
　　研究人员最近研究的主要目标是在实验室环境中实现耗散时间晶体。为了做到这一点，他们使用了一个量子多体系统，与窄带光学腔强耦合。
　　图示中心有玻色-爱因斯坦凝聚的光学腔。来源:Keßler等人。
　　Keßler解释说:＂对于我们的实验来说，谐振腔内的光场和多体系统的密度是在同一基础上演化的，这是由腔的频带宽度和对应于单个光子反跳的频率分别给出的。＂＂这种情况在我们的原子腔系统中是独一无二的，并为研究物质的动态相打开了可能性。＂
　　由于真实的物理系统永远不会与它们的环境完全隔离，它们很容易耗散(即，能量损失或浪费)。这使得我们很难或不可能实现在任意时间长度内真正封闭的量子系统。这最终激发了Keßler和他的同事尝试在开放量子系统中实现时间晶体。
　　Keßler说:＂到目前为止，在不同组中展示的时间晶体需要小心地与环境隔离，因为耗散有‘熔化’这些时间晶体的不良影响。＂＂在我们的原子腔设置中，时间晶体的独特之处在于它在防止损耗方面的积极作用，因为它有助于稳定系统的动力学。因此，在开放系统中证明时间的晶体顺序是我们研究的最重要的成果。＂
　　该研究小组最近的研究提供了有力的证据，证明离散时间晶体可以存在于驱动和开放的原子腔系统中。Keßler和他的同事们现在正在尝试使用他们在最近的工作中使用的相同的原子腔系统来实现连续时间晶体。
　　连续耗散时间晶体和离散耗散时间晶体之间的关键区别是，前者即使在没有时间周期驱动的情况下也会振荡。作为这种振荡的结果，他们正在研究的新晶体自发地打破了连续的时间平移对称。
　　Keßler补充说:＂正如我们在最近的论文中提出的方案，我们的原子腔系统将切换到一种以某些固有频率的周期振荡为特征的物质状态。＂＂在这样一个时间晶体中，振荡的相对相位可以取0到2之间的任意值。这与离散时间晶体非常不同，后者的相对相位只能是0或pi。在某种程度上，连续时间晶体更接近固体晶体，因为它们都打破了连续对称。