自發對稱性破缺是近代物理學最重要的概念之一，它可以描述各種豐富的量子物態形成的機製。作為人們熟知的一個例子，空間平移對稱性的自發破缺會使得物質中的原子在空間上形成有序的周期分布，從而導致了晶體的產生。由於空間和時間的等價性，一個自然的問題就是相互作用能否導致時間平移對稱性的自發破缺，並在時間維度上結晶。2012年，諾貝爾獎物理學獎得主弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)首次預言了“時間晶體”的存在。處於“時間晶體”相的物理係統會隨著時間不斷地自我重複，呈現持續的周期性振蕩行為。自此，關於“時間晶體”的討論一直是量子多體物理的熱點問題。然而，眾多的理論分析指出，由於量子漲落，連續“時間晶體”相很難穩定地存在於處於平衡態的係統中。

圖1.(a)實驗裝置實拍圖。該裝置中原子氣體處於室溫，不需要額外製冷。(b)實驗裝置示意圖。對向入射的耦合光(Coupling)與探測光(Probe)會將基態原子激發到裏德堡態並對探測光形成電磁誘導透明(EIT)。另一束參考光(Reference)用於差分測量。(c)典型的時間晶體振蕩信號

　　近期，清華大學物理係尤力教授研究組在“時間晶體”研究中取得突破性進展，他們首次在強相互作用的室溫裏德堡氣體(圖1)中觀測到了持續且穩定的時間晶體信號，其振蕩幅度在實驗觀測時間內沒有發現任何衰減。不同於傳統的有限溫體係，研究所構建的係統是一種非平衡態係統，其中裏德堡原子間的長程相互作用，相幹的外場驅動，以及原子的自發輻射等耗散之間的協同作用是“時間晶體”得以穩定存在的關鍵。這種特殊的“時間晶體”也被稱為“耗散時間晶體”。

圖2.長程時間序的建立。(a)係統的單次淬火動力學信號。(b)不同時間段振蕩信號的傅立葉變換。(c)傅立葉變換的峰值頻率隨著時間演化逐漸穩定。(d)不同時間段係統的自關聯函數

　　在此基礎上，團隊成員測量了係統的淬火動力學，發現在經過一個短暫的弛豫過程後係統才在時間維度上建立起真正的長程序(true long-range order)，形成穩定的(時間)晶格結構(圖2)。同時，研究團隊發現觀測到的振蕩信號對外界噪聲具有很好的抗幹擾性，即使人為地添加很強的噪聲，“時間晶體”相也不會完全被破壞。進一步，研究團隊與(前)奧胡斯大學的楊帆博士和托馬斯·波爾(Thomas Pohl)教授展開理論合作，揭示了該係統中形成“時間晶體”的另一關鍵機製：多種裏德堡組分之間的相互競爭，並進行了實驗驗證。

　　相關研究成果以“強相互作用的裏德堡氣體中的耗散時間晶體”(Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas)為題，於7月2日發表於《自然·物理》(Nature Physics)雜誌。

　　清華大學物理係2017級博士生吳曉淩、2021級博士生王竺卿、2015級博士生楊帆(現為奧地利因斯布魯克大學博士後研究員)為論文的共同第一作者。北京量子信息科學研究院助理研究員李相良、奧地利維也納工業大學教授托馬斯·波爾(Thomas Pohl)和尤力為論文的通訊作者。合作者還包括清華大學物理係2022級博士生高若晨、2018級博士生梁超、副教授鄭盟錕。研究得到國家自然科學基金委、科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、量子信息前沿科學中心、北京量子信息科學研究院和合肥國家實驗室的資助。

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　　https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9