被稱為時間晶體的結(jié)構(gòu)在時間上重復(fù)傳統(tǒng)晶體在空間中重復(fù)的形式，引起了跨學(xué)科研究人員的興趣和想象力。 這個概念源于量子多體系統(tǒng)的背景，但慕尼黑聯(lián)邦理工學(xué)院的化學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一個多功能框架，揭示了與近兩個世紀前的經(jīng)典專著的鏈接，從而提供了一個統(tǒng)一的平臺來探索看似不同的現(xiàn)象。 在晶體中，原子是高度有序的，占據(jù)了創(chuàng)建空間模式的明確定義的位置。
五年前，2004 年諾貝爾化學(xué)獎獲得者弗蘭克·威爾塞克 (Frank ) 思考了晶體中空間順序的時間模擬的可能性：在最低能量狀態(tài)下顯示持續(xù)周期性時間調(diào)制的系統(tǒng)。 這些具有振蕩能級的結(jié)構(gòu)的概念很有趣。 在這個想法發(fā)表后不久，事實證明，如果不違反化學(xué)的基本定律，這樣的時間晶體是不可能的。 然而，并行的理論研究表明，當周期性地驅(qū)動量子多體系統(tǒng)時，會出現(xiàn)新的持續(xù)時間相關(guān)性，這會引起時間晶體。
時間晶體并沒有那么短的歷史
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這種驅(qū)動系統(tǒng)被稱為離散時間晶體，2017 年，這種狀態(tài)的首次實驗實現(xiàn)在顯示量子熱特性的耦合粒子（離子、電子和原子核）的集合體中得到報道。 不久之后，敏銳的觀察者注意到離散時間晶體與量子系統(tǒng)中所謂的參量諧振器之間存在驚人的相似之處。 這是經(jīng)典化學(xué)中的一個概念，可以追溯到 1831 年邁克爾·法拉第 ( ) 的工作。然而，這兩項研究之間的直接聯(lián)系仍然不明確。 今天，理論家們早已開發(fā)出一個新的框架，但它在消除周期性驅(qū)動的經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)之間相似性的模糊性方面已經(jīng)走了很長一段路。
在發(fā)表在《物理評論快報》上的這項新研究中，慕尼黑聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)系的博士生 Toni 和同一機構(gòu)的中學(xué)生與理論化學(xué)研究所的一名博士生以及一名 Oded 研究員和一名固態(tài)化學(xué)實驗室的博士生：該研究報告了理論和實驗工作，以確定如何形成離散時間晶體，一方面不需要量子熱效應(yīng)，另一方面證明了真正的許多- 體效應(yīng)是量子系統(tǒng)中離散時間晶體的特征。 在量子多體系統(tǒng)中，經(jīng)典參量諧振器與實驗實現(xiàn)的離散時間晶體之間存在驚人的相似之處：兩者都在驅(qū)動頻率的頻率下表現(xiàn)出動力學(xué)。
在離散時間晶體的背景下，這些亞波紋頻率振蕩的出現(xiàn)打破了驅(qū)動系統(tǒng)的時間周期性，提供了晶體空間秩序的“時間模擬”，其中空間對稱性被打破。 在經(jīng)典的參數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)中，次諧波頻率以更常見的形式出現(xiàn)：例如，吊床上的兒子改變重心的頻率是由此產(chǎn)生的振動的兩倍。 而且，這些不同的現(xiàn)象如何相互關(guān)聯(lián)？ 是的，蒙特利爾聯(lián)邦理工大學(xué)的化學(xué)家說：非常準確地強調(diào)了經(jīng)典系統(tǒng)中多體方面出現(xiàn)的地方。 因此，考慮了具有可調(diào)諧耦合的經(jīng)典非線性振蕩器。
眾所周知，參數(shù)振蕩器對于單獨的驅(qū)動頻率和剛度顯得不穩(wěn)定，然后經(jīng)歷所謂的倍周期分叉，超過該分叉參數(shù)振蕩器以其驅(qū)動頻率的一半振蕩。 研究人員探索了當幾個這樣的振蕩器耦合在一起時會發(fā)生什么。 在使用兩個字符串之間具有可變耦合的估計和實驗中，發(fā)現(xiàn)了兩個不同的區(qū)域。 當耦合很強時，雙弦系統(tǒng)會集體移動，本質(zhì)上是在復(fù)制兒子在吊床上的動作。 然而，在弦之間耦合較弱的情況下，每根弦的動力學(xué)類似于非耦合系統(tǒng)所表現(xiàn)出的動力學(xué)。
為此，耦合振蕩器并沒有作為一個整體分叉量子物理學(xué)第三定律觀察者，而是在驅(qū)動器的參數(shù)略有不同的情況下單獨分叉，從而導(dǎo)致更豐富的整體動態(tài)，隨著系統(tǒng)變大而顯得越來越復(fù)雜。 研究人員認為，這些弱耦合模式與量子多體系統(tǒng)中出現(xiàn)的模式相似，這意味著該框架可以解釋此類系統(tǒng)中實驗觀察到的行為。 據(jù)悉，新研究確定了經(jīng)典多體時間晶體形成的通常條件量子物理學(xué)第三定律觀察者，這一特征最終可用于解釋和尋找量子對應(yīng)物。
博科園｜研究/來自：慕尼黑聯(lián)邦理工大學(xué)