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"时间晶体"不再是科幻

2017-04-02 04:00:33

图为《自然》杂志封面的“时间晶体”示意图

　　本日视点

　　记者聂翠蓉

　　对多数人而言，提到晶体就会联想到钻石等各种宝石，和石英石等深受人们爱好的贵重物品。但对物理学家来讲，这些由规则原子结构在空间重复排列的晶体只代表冰山1角，原子结构还能在特定条件下沿着时间轴显现周期性变化，即所谓的“时间晶体”。

　　《自然》杂志近日以“时间晶体”为封面，介绍了两篇重要论文，分别以哈佛大学和马里兰大学为首的两个科研团队，首次用不同方法同时制造出“时间晶体”，宣布了“时间晶体”不再只是科幻剧《神秘博士》中虚拟的“时空穿梭机”，而是1种实实在在的真实存在，更加人类研究物资特性打开了全新的思惟方式。

　　甚么是“时间晶体”

　　“时间晶体”理论最早由诺贝尔奖取得者、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克和同事于2012年提出，当时他们发表论文论述了相干理论，认为“时间晶体”是1种处于基态（能量最低状态）可做周期运动的理论系统，其破坏了时间平移对称性，因此旋转时的能量比静止时还要低，能在不消耗能量的条件下以固定模式运动。

　　去年夏天，著名物理期刊《物理评论快报》刊登1篇论文，美国加州大学伯克利分校研究人员描写了制造“时间晶体”和丈量其特性的方法。论文主要作者、该校助理教授姚颖在接受外媒采访中曾用果冻来形象解释“时间晶体”，认为与果冻遭到反复拍打后出现的周期性晃动类似，“时间晶体”在遭到冲击后原子结构也会在时间维度上周期性重现。

　　也有研究人员用海绵来帮助人们理解“时间晶体”的概念，当人们每次用一样气力捏海绵时，海绵会周期性显现相同的形状，“时间晶体”内量子系统具有类似运动。

　　“时间晶体”真实存在

　　这次两个不同研究团队在制造“时间晶体”实验中，都应用到姚颖提出的方法，其名字同时出现在两篇论文的作者队伍中。姚颖表示，其团队在两组实验中扮演着理论假定与实际操作之间的桥梁作用，成功帮助他们以不同方式制造出“时间晶体”。

　　其中，马里兰大学张颉颃博士为首的科研团队将10个带电镱离子排成1条直线，再用1束激光轰击离子创造1个磁场，用另外一束激光反转原子的自旋方向，1遍1遍地重复该进程，终究让原子进入在时间上重复的反转模式，从而制造出“时间晶体”。

　　而哈佛大学的科研团队以金刚石和其中100万个随机散布的氮—空位为实验平台，制备出1种离散型“时间晶体”。因实验样本大，这1方法暗示“时间晶体”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

　　清华大学交叉信息院量子信息中心尹璋琦博士告知科技日报记者，这次制造的“时间晶体”展现出来的运动周期与外加脉冲的周期不1样，比外加脉冲周期要长，是它的两倍、3倍或更多倍。且在外加驱动下，系统很难演变到热平衡态。这意味着他们通过实验展现出“时间晶体”的核心概念——时间平移对称性的自发破缺。

　　物理学研究的新世界

　　姚颖认为，“时间晶体”是1种全新的物资形态，与过去半个世纪里1直研究的金属和绝缘体等平衡态物资不同，其处于1种非平衡态，将为物理学研究打开1个全新世界，回答与物资本性有关的各种基本问题。

　　尹博士表示，依照维尔切克的假想，有了“时间晶体”，人们就可以开发出在3维空间和时间维度中结晶的时空晶体，未来对时空晶体进行编程，可设计出复杂的周期运动回路，代表不同比特和比特间的运算，然后将人脑意识上传到时空晶体中，保存人生中最美好最难忘的记忆。

　　现在，“时间晶体”已制造成功，其实际应用或在不久后实现，将能帮助科学家开发出贮存和处理数据的全新量子计算机，掀开量子计算的新篇章。

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