由巨大原子构成的时间晶体

晶体是原子在空间内以规律间隔重复排列的结构：在每个点上，晶体的结构都完全相同。2012年，诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克提出了一个问题：是否也存在一种时间晶体——一个不是在空间内重复，而是在时间内重复的对象？而且，尽管系统没有受到特定节奏的影响，且粒子之间的相互作用完全独立于时间，是否仍有可能产生周期性节奏？

多年来，弗兰克·维尔切克的想法引起了诸多争议。一些人认为时间晶体在原则上是不可能的，而另一些人则试图寻找漏洞，并试图在某些特殊条件下实现时间晶体。现在，在中国清华大学和奥地利维也纳工业大学（TU Wien）的支持下，一种特别壮观的时间晶体已经成功被创造出来。研究团队使用了激光光和一种非常特殊的原子，即里德伯原子，其直径比普通原子大几百倍。研究结果现已发表在《自然·物理》（Nature Physics）期刊上。

自发对称性破缺

时钟的嘀嗒声也是时间周期性运动的一个例子。然而，它并非自行发生：必须有人给时钟上发条并在某一时间启动它。这个启动时间随后决定了嘀嗒声的时机。时间晶体则不同：根据维尔切克的想法，尽管不同的时间点之间实际上没有物理差异，但周期性应该会自发产生。

“嘀嗒的频率由系统的物理性质预先决定，但嘀嗒发生的时间是完全随机的；这被称为自发对称性破缺，”维也纳工业大学理论物理研究所的托马斯·波尔（Thomas Pohl）教授解释道。

托马斯·波尔负责了这项研究工作的理论部分，这项工作现在已在中国清华大学发现了时间晶体：激光光被照射到一个装满铷原子气体的玻璃容器中。然后测量到达容器另一端的光信号的强度。

“这其实是一个静态实验，其中系统没有受到特定节奏的影响，”托马斯·波尔说。“光与原子之间的相互作用始终相同，激光束具有恒定强度。但令人惊讶的是，结果证明，到达玻璃容器另一端的光强度开始以高度规则的模式振荡。”

巨型原子

实验的关键在于以特殊方式制备原子：根据电子拥有的能量不同，原子的电子可以在不同的轨道上绕原子核运动。如果向原子的最外层电子添加能量，那么它离原子核的距离就可以变得非常大。在极端情况下，它可能比平常离原子核远几百倍。通过这种方式，创造了具有巨大电子壳层的原子——即所谓的里德伯原子。

“如果我们的玻璃容器中的原子被制备成这样的里德伯态，并且它们的直径变得巨大，那么这些原子之间的力也会变得非常大，”托马斯·波尔解释说。“而这反过来又改变了它们与激光的相互作用方式。如果你选择激光光，使其能够同时激发每个原子中的两种不同的里德伯态，那么就会产生一个反馈回路，导致这两种原子态之间自发振荡。这反过来又导致光吸收振荡。”这些巨型原子自行陷入了一个规则的节拍，这个节拍被转化为到达玻璃容器末端的光强度的节奏。

“我们在这里创建了一个新的系统，它提供了一个强大的平台，可以深化我们对时间晶体现象的理解，这种理解方式非常接近弗兰克·维尔切克的原始想法，”托马斯·波尔说。“精确的自维持振荡可用于传感器等。在其他情况下，具有里德伯态的巨型原子已成功用于此类技术。”