实验首次观测到时间晶体间的互动

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【大纪元2020年10月18日讯】(大纪元记者高文森编译报导)时间晶体(time crystal)是一种奇特的物质形态,在即使没有外力输入的情况下也能周期性重复运动,呈现永动机一样的效果。

近期发表在《自然-材料》(Nature Materials)期刊上的研究,第一次通过实验观察到两个时间晶体的互动。这对推动量子信息处理技术,以及在改善原子钟、陀螺仪和GPS系统等方面都有重要应用。

这份研究的主要作者英国兰开斯特大学(Lancaster University)的奥蒂(Samuli Autti)说:“控制两个时间晶体的互动是一项重要的成就。在此之前,没人见过位于同一系统内的两个时间晶体,更不用说见到它们的互动。实现并观察到时间晶体之间受控的相互作用,是将其用于量子信息处理等实际应用的第一步。”

时间晶体和金属、岩石这些一般的晶体不一样,后者由原子按照一定规律的模式重复排列形成,而时间晶体是一种四维晶体,在时空中拥有一种周期性结构。

2012年,诺贝尔奖获得者弗兰克‧威尔泽克(Frank Wilczek)首次提出了时间晶体这一概念。2016年,另一组科学家提出了第一份构建时间晶体的蓝图。

时间晶体展现奇异的恒定特性,即使没有外力干预,它们内部的原子可以不停歇地振动、自旋,或先朝一个方向运动,之后朝另一个方向运动,展现一种永动的状态。

这个研究组使用氦-3超流体进行了这项实验。氦-3是氦元素的一种罕见的同位素。研究人员将超流体氦-3冷却到0.0001开尔文,即只比绝对零度高出万分之一度的低温,在这种超流体内造出了两个时间晶体,让它们接触。

研究人员观察到两个时间晶体发生互动,内部的组成粒子开始互相交换——从一个晶体流向另一个晶体后,又流回去,发生了所谓约瑟夫森效应(Josephson effect)。约瑟夫森效应是宏观量子效应的一种体现。

奥蒂说,时间晶体在不同的条件下仍可以自动保持内部相干性,而保护相干性正是高性能量子计算机的难点。此外,时间晶体还可用于改善原子钟、陀螺仪、GPS等系统的性能。◇

责任编辑:朱涵儒

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