被稱為時間晶體的結構在時間上重復傳統晶體在空間中重復的形式，引起了跨學科研究人員的興趣和想象力。 這個概念源于量子多體系統的背景，但慕尼黑聯邦理工學院的化學家現在已經開發出一個多功能框架，揭示了與近兩個世紀前的經典專著的鏈接，從而提供了一個統一的平臺來探索看似不同的現象。 在晶體中，原子是高度有序的，占據了創建空間模式的明確定義的位置。
五年前，2004 年諾貝爾化學獎獲得者弗蘭克·威爾塞克 (Frank ) 思考了晶體中空間順序的時間模擬的可能性：在最低能量狀態下顯示持續周期性時間調制的系統。 這些具有振蕩能級的結構的概念很有趣。 在這個想法發表后不久，事實證明，如果不違反化學的基本定律，這樣的時間晶體是不可能的。 然而，并行的理論研究表明，當周期性地驅動量子多體系統時，會出現新的持續時間相關性，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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這種驅動系統被稱為離散時間晶體，2017 年，這種狀態的首次實驗實現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中所謂的參量諧振器之間存在驚人的相似之處。 這是經典化學中的一個概念，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系仍然不明確。 今天，理論家們早已開發出一個新的框架，但它在消除周期性驅動的經典系統和量子系統之間相似性的模糊性方面已經走了很長一段路。
在發表在《物理評論快報》上的這項新研究中，慕尼黑聯邦理工學院化學系的博士生 Toni 和同一機構的中學生與理論化學研究所的一名博士生以及一名 Oded 研究員和一名固態化學實驗室的博士生：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，另一方面證明了真正的許多- 體效應是量子系統中離散時間晶體的特征。 在量子多體系統中，經典參量諧振器與實驗實現的離散時間晶體之間存在驚人的相似之處：兩者都在驅動頻率的頻率下表現出動力學。
在離散時間晶體的背景下，這些亞波紋頻率振蕩的出現打破了驅動系統的時間周期性，提供了晶體空間秩序的“時間模擬”，其中空間對稱性被打破。 在經典的參數驅動系統中，次諧波頻率以更常見的形式出現：例如，吊床上的兒子改變重心的頻率是由此產生的振動的兩倍。 而且，這些不同的現象如何相互關聯？ 是的，蒙特利爾聯邦理工大學的化學家說：非常準確地強調了經典系統中多體方面出現的地方。 因此，考慮了具有可調諧耦合的經典非線性振蕩器。
眾所周知，參數振蕩器對于單獨的驅動頻率和剛度顯得不穩定，然后經歷所謂的倍周期分叉，超過該分叉參數振蕩器以其驅動頻率的一半振蕩。 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，發現了兩個不同的區域。 當耦合很強時，雙弦系統會集體移動，本質上是在復制兒子在吊床上的動作。 然而，在弦之間耦合較弱的情況下，每根弦的動力學類似于非耦合系統所表現出的動力學。
為此，耦合振蕩器并沒有作為一個整體分叉量子物理學第三定律觀察者，而是在驅動器的參數略有不同的情況下單獨分叉，從而導致更豐富的整體動態，隨著系統變大而顯得越來越復雜。 研究人員認為，這些弱耦合模式與量子多體系統中出現的模式相似，這意味著該框架可以解釋此類系統中實驗觀察到的行為。 據悉，新研究確定了經典多體時間晶體形成的通常條件量子物理學第三定律觀察者，這一特征最終可用于解釋和尋找量子對應物。
博科園｜研究/來自：慕尼黑聯邦理工大學
