首发于量子世界
离散的时间晶体

离散的时间晶体

2012年,Frank Wilczek提出时间晶体这个概念之后,引来来很多质疑与批评。首先就是有人发现,Wilczek有关量子时间晶体的模型是有问题的。紧接着,又有人指出,对非常广泛的一类物理系统的基态平衡态,时间晶体都是行不通的:[1306.6275] Impossibility of Spontaneously Rotating Time-Crystals: A No-Go Theorem[1410.2143] Absence of Quantum Time Crystals。我们所提出的量子时空晶体模型,也被人质疑了。

对时间晶体的争议虽然很大,但是其核心概念“时间平移对称性的自发破缺”确实很吸引人,能否找到一个物理系统演示出这个效应?为了避开前面的那些“行不通定律”,人们开始考虑非平衡态的动力学行为?2015年,Krzysztof Sacha 发现在周期性驱动的冷原子系统中,系统的响应周期可以是外加驱动的周期的两倍。他认为,这正好体现出了时间平移对称性的破缺。进一步的,2016年,人们提出了周期性驱动时间晶体,或者离散时间晶体的概念。

离散时间晶体是很奇怪的一个系统,对它进行周期性驱动,由于所谓多体局域化效应(Manybody localization),它不会热化,将会长期的处于一个非平衡态。此状态也是周期性的,但是其周期比驱动场的周期T要长,是nT,这里的n是大于1的整数。由于系统的时间平移不变性单位是nT,比驱动场的周期T要长,所以系统出现了时间平移不变性的破缺。做一个形象的类比,我们敲一个鼓N下,结果它只发出N/n次声音。由于离散时间晶体不要求系统处于量子基态附近,相对而言实验验证较为容易,因此很快就在离子阱系统金刚石色心系统中得到了验证。需要指出的是,离散时间晶体不会热化,所以也跟通常非线性导致的频率变化效应有区别。

离散时间晶体做出来后,给了人们很大的信心。一部分科学家在进一步探索不同的物理模型中,周期性驱动下能否出现离散时间晶体现象,甚至连时间准晶体都有人进行了探索(实际上在我们量子时间晶体论文中,已经预言了时间准晶体)。另外一部分人回到原始的定义,寻找量子基态附近的时间晶体。最近Wilczek教授就提出了一个新的理论模型,无需周期性驱动。这个想法能否走通,还有待人们进一步探索。

编辑于 2017-08-26

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