實驗首次觀測到時間晶體間的互動

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【大紀元2020年10月18日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)時間晶體(time crystal)是一種奇特的物質形態,在即使沒有外力輸入的情況下也能周期性重複運動,呈現永動機一樣的效果。

近期發表在《自然-材料》(Nature Materials)期刊上的研究,第一次通過實驗觀察到兩個時間晶體的互動。這對推動量子信息處理技術,以及在改善原子鐘、陀螺儀和GPS系統等方面都有重要應用。

這份研究的主要作者英國蘭開斯特大學(Lancaster University)的奧蒂(Samuli Autti)說:「控制兩個時間晶體的互動是一項重要的成就。在此之前,沒人見過位於同一系統內的兩個時間晶體,更不用說見到它們的互動。實現並觀察到時間晶體之間受控的相互作用,是將其用於量子信息處理等實際應用的第一步。」

時間晶體和金屬、岩石這些一般的晶體不一樣,後者由原子按照一定規律的模式重複排列形成,而時間晶體是一種四維晶體,在時空中擁有一種周期性結構。

2012年,諾貝爾獎獲得者弗蘭克‧威爾澤克(Frank Wilczek)首次提出了時間晶體這一概念。2016年,另一組科學家提出了第一份構建時間晶體的藍圖。

時間晶體展現奇異的恆定特性,即使沒有外力干預,它們內部的原子可以不停歇地振動、自旋,或先朝一個方向運動,之後朝另一個方向運動,展現一種永動的狀態。

這個研究組使用氦-3超流體進行了這項實驗。氦-3是氦元素的一種罕見的同位素。研究人員將超流體氦-3冷卻到0.0001開爾文,即只比絕對零度高出萬分之一度的低溫,在這種超流體內造出了兩個時間晶體,讓它們接觸。

研究人員觀察到兩個時間晶體發生互動,內部的組成粒子開始互相交換——從一個晶體流向另一個晶體後,又流回去,發生了所謂約瑟夫森效應(Josephson effect)。約瑟夫森效應是宏觀量子效應的一種體現。

奧蒂說,時間晶體在不同的條件下仍可以自動保持內部相乾性,而保護相乾性正是高性能量子計算機的難點。此外,時間晶體還可用於改善原子鐘、陀螺儀、GPS等系統的性能。◇

責任編輯:朱涵儒

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