一种极其奇特的物质状态：可以弯曲时间的水晶

weichi2000

研究人员创造了一种极其奇特的物质状态。它的原子直径比平常大100倍。时间晶体最初是由诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克在2012年提出的，现在在奥地利维也纳理工大学的理论支持下，中国清华大学利用里德伯原子和激光成功地制造出来。这种物质的新状态不像传统晶体那样在空间中重复，而是在时间中，在没有外部刺激的情况下显示出自发的周期性节奏，这种现象被称为自发对称性破缺。

晶体是一种原子排列，它在空间中以一定的间隔重复自己：在每一点上，晶体看起来都完全一样。2012年，诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克提出了一个问题：是否也会有一种时间晶体 —— 一种不是在空间中而是在时间中重复自身的物体？有没有可能出现一个周期的节奏，即使没有特定的节奏强加在系统上，粒子之间的相互作用是完全独立于时间的？多年来，弗兰克·威尔切克的观点引起了很多争议。一些人认为时间晶体在原则上是不可能的，而另一些人则试图找到漏洞，在某些特殊条件下实现时间晶体。现在，在奥地利维也纳理工大学的支持下，中国清华大学成功制造出了一种特别壮观的时间晶体。该团队使用激光和非常特殊类型的原子，即里德伯原子，其直径比正常原子大数百倍。研究结果已经发表在《自然物理学》杂志上。

自发对称性破缺

时钟的滴答声也是时间周期性运动的一个例子。然而，它不会自动发生：一定是有人给时钟上了发条，并在特定的时间启动了它。这个开始时间决定了滴答声的时间。这与时间晶体不同：根据威尔切克的观点，周期性应该自发产生，尽管实际上不同时间点之间没有物理差异。

“滴答声的频率是由系统的物理特性预先确定的，但滴答声发生的时间完全是随机的；这就是所谓的自发对称破缺，”维也纳理工大学理论物理研究所的托马斯·波尔教授解释说。

托马斯·波尔（Thomas Pohl）负责研究工作的理论部分，这项工作现在导致了中国清华大学时间晶体的发现：激光照射到一个充满铷原子气体的玻璃容器中。到达容器另一端的光信号强度被测量。

“这实际上是一个静态实验，没有特定的节奏强加给系统，”托马斯·波尔说。“光和原子之间的相互作用总是相同的，激光束具有恒定的强度。但令人惊讶的是，到达玻璃电池另一端的强度开始以高度规则的模式振荡。”

巨大的原子

实验的关键是以一种特殊的方式制备原子：原子的电子可以根据它们的能量大小以不同的路径绕原子核运行。如果给原子最外层的电子加上能量，它离原子核的距离就会变得很大。在极端情况下，它离原子核的距离可能是平时的几百倍。通过这种方式，产生了具有巨大电子壳层的原子，即所谓的里德伯原子。

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Kimi智能助手托马斯·波尔解释说：“如果我们的玻璃容器中的原子以里德伯态制备，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。这反过来又改变了它们与激光相互作用的方式。如果你选择的激光可以同时激发每个原子的两个不同的里德伯态，那么就会产生一个反馈回路，导致两个原子态之间的自发振荡。这反过来也会导致振荡的光吸收。”这些巨大的原子靠自己的力量形成了一个有规律的节奏，这个节奏被转化为到达玻璃容器末端的光强度的节奏。

“我们在这里创造了一个新的系统，它提供了一个强大的平台，以一种非常接近弗兰克·威尔切克最初想法的方式，加深我们对时间晶体现象的理解，”托马斯·波尔说。“例如，精确的、自我持续的振荡可以用于传感器。具有里德伯态的巨型原子已经成功地用于其他情况下的此类技术。”