一个国际科研团队在最新一期《自然·材料》杂志撰文称,他们首次观察到了“时间晶体”的相互作用。最新研究有望促进量子信息处理技术的发展,改善当前的原子钟技术,提高陀螺仪以及依赖原子钟的系统(如GPS)的性能。

时间晶体是一种物质态,不同于金属或岩石等标准晶体,后者由原子以规则的重复模式排列而成。2012年,诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔泽克首次提出了时间晶体这一概念,并于2016年确定。时间晶体显示出恒定不变的奇异特性,即使没有外部输入也能重复运动。它们的原子先在一个方向不停地振荡、旋转或移动,然后再朝一个方向运动。

在最新研究中,来自英国兰卡斯特大学、伦敦皇家霍洛威大学伦敦分校、美国耶鲁大学和芬兰阿尔托大学的国际团队使用氦-3观测了时间晶体。氦-3是氦罕见的同位素,缺少一个中子。

研究人员将超流体氦-3冷却到绝对零度(零下273.15摄氏度)附近,然后在超流体内部创建了两个时间晶体,并使其接触。

科学家观察到两个时间晶体相互作用,并交换组成颗粒——这些粒子从一个时间晶体流向另一种时间晶体,然后又返回,这种现象称为约瑟夫森效应。

研究论文主要作者、英国兰卡斯特大学的萨穆利·奥蒂博士说:“控制两个时间晶体的相互作用是一项重大成就。此前,没有人在同一系统中观察到两个时间晶体,更不用说看到它们相互作用了。实现并观察到时间晶体的受控相互作用是将其用于量子信息处理等实际应用的第一步。”

奥蒂解释道,因为尽管周围环境变化,时间晶体仍会自动保持完整(相干),让相干性延续时间尽可能长是发展强大的量子计算机必须要解决的主要“拦路虎”。此外,时间晶体也可用于改善原子钟、GPS等系统的性能。

总编辑圈点

在晶体内,原子分子按照周期性结构重复排列。时间晶体,顾名思义,它在时间维度上仍然存在周期性重复的特征。这种物质,在时间轴上自发保持周期性运动,不消耗外部能量。晶体恒久远,一颗永流传。时间晶体周期运动的特性稳定,也被认为是制作量子计算机的潜力材料。此文研究作者指出,时间晶体的受控交互,是将时间晶体用于实际应用的第一步。现在,科研人员观察到了两个时间晶体之间的交互,也算是将利用时间晶体这件事,往前推进了一点点。