几个月来，有人猜测研究人员可能终于创造出时间晶体(time crystal)，一种奇怪的晶体，具有一种不仅仅在空间重现的原子结构，但在时间上，使它们处于不具能量的永久运动。
现在是正式的，研究人员刚刚报告如何制作和测量这些怪异的晶体。两个独立小组的科学家声称，根据这个蓝图，他们实际上已经在实验室里创造出时间晶体，证实了一种全新物质形态的存在。
这个发现可能听起来相当抽象，但它预告着物理学一个全新的纪元。几十年来，我们一直在研究被定义为’处于平衡状态'(in equilibrium)的物质，例如金属和绝缘体。
但根据预测，宇宙有很多更奇怪的物质种类，它们不是处于平衡状态，甚至我们还没有开始调查，包括时间晶体。而现在，我们知道它们是真的。
我们现在有第一个非平衡状态物质的样本，可能带领我们突破对围绕我们的世界的理解，以及对新技术的突破，像是量子电脑。
来自加州大学柏克莱分校的首席研究员Norman Yao说：“这是物质、周期的一个新位相，但它也很酷，因为它是非平衡状态物质的第一个例子之一。”
“在过去的半个世纪，我们一直在探索平衡状态物质，如金属和绝缘体。我们才刚刚开始探索一个全新的非平衡状态物质的景观。”
让我们倒退一下，因为时间晶体的概念一直流传了好几年。
回到2012年，首先由诺贝尔奖得主理论物理学家法兰克·威尔切克(Frank Wilczek)预测，时间晶体看起来像是移动的结构，甚至在被称为基态(ground stat)的最低能量状态移动。
通常当材料处于基态时，也称为系统的零点能量(zero-point energy)，意味着在理论上移动应该是不可能发生的，因为这需要消耗能量。
但Wilczek预测，对时间晶体来说，可能不是这样子。
正常晶体具有在空间重现的原子结构，就像钻石的碳晶格。但是，就像是一颗红宝石或一颗钻石，它们是不动的，因为它们处于基态的平衡状态。
但时间晶体具有在时间重现的结构，而不是只在空间，而且它维持在基态中振荡。
想像它像是果冻，当你轻拍时它会来回晃动。同样的情况发生在时间晶体，但最大的不同处在于运动发生没有消耗任何能量。
时间晶体就像是在自然的基态下不断震荡的果冻，而这就是造成它成为一种全新的物质形态，非平衡状态物质。它无法维持不动。
但是，预测这些时间晶体存在是一回事，做出它们是完全另一回事，这正是新研究要做的事。
Yao和研究小组现在提出一个详细的蓝图，确实描述如何制造和测量时间晶体的特性，甚至预测围绕时间晶体不同的位相应该是什么样子。意味着对于物质的新形态，他们已经提出等效的固态位相、液态位相和气态位相。
发表在物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊，Yao把这篇论文视为是"理论概念与实验履行之间的桥梁"。
而这也不仅仅是推测。基于Yao的蓝图，两组独立的研究小组，一组来自马里兰大学以及另一组来自哈佛大学，现在按照指示来做出自己的时间晶体。
马里兰大学的时间晶体是透过采取10个镱离子(ytterbium ion)的康加(conga)线所产生的，所有的离子都有纠缠的电子自旋。
Chris Monroe, University of Maryland
将这种设置转变成时间晶体的关键是保持离子在不平衡状态。而为了要做到这点，研究人员使用两个雷射来交替击中它们。一个雷射产生磁场，而第二个雷射则部分地翻转原子的自旋。
因为所有原子的自旋都是纠缠的，这些原子习惯于一个定义为晶体的稳定且重复的自旋翻转模式。
这是很正常的，但为了要变成时间晶体，这个系统必须打破时间对称性，而在观察镱原子的康加线后，研究人员注意到它做了一些奇怪的事情。
这两个周期性轻推镱原子的雷射在系统中产生两倍于轻推周期的重现，这在正常系统中是不会发生的。
Yao说：“如果你轻轻摇晃凝胶物，然后发现它以某种方式在不同的周期作出反应，不是超级奇怪吗？”
“但这是时间晶体的本质。你有一些’T’周期的周期性驱动器，但系统以某种方式同步；因此，你观察到系统以大于’T’的周期震荡。”
在不同的磁场和雷射脉冲下，时间晶体然后改变位相，就像冰块融化一样。
Norman Yao, UC Berkeley
哈佛大学的时间晶体是不一样的。研究人员利用在钻石中心的空处，密集填挤氮来做出时间晶体，但有相同的结果。
在这篇论文附带的透视图，没有参与这项研究的印第安纳大学的菲尔·黎舍姆(Phil Richerme)解释：“在两个回然不同的系统中达成类似的结果，强调出时间晶体是物质一个明显的新位相，而非仅仅是一个好奇心，被归类于小或狭窄的特定系统。”
“离散时间晶体(discrete time crystal)的观察…证实了对称断裂(symmetry breaking)可以实质发生在所有的自然界中，并且清扫几种研究新途径的道路。”
Yao的蓝图已经发表于物理评论快报(Physical Review Letters)。你可以在这里看到哈佛大学的时间晶体论文，以及在这里看到马里兰大学的论文。
来源：ScienceAlert
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