“時(shí)間晶體”不再是科幻

圖/東方IC

對多數(shù)人而言，提到晶體就會聯(lián)想到鉆石等深受人們喜愛的貴重物品。但對物理學(xué)家來說，這些由規(guī)則原子結(jié)構(gòu)在空間重復(fù)排列的晶體只代表冰山一角，原子結(jié)構(gòu)還能在特定條件下沿著時(shí)間軸呈現(xiàn)周期性變化，即所謂的“時(shí)間晶體”。

不久前，哈佛大學(xué)和馬里蘭大學(xué)兩個(gè)獨(dú)立的科研團(tuán)隊(duì)首次用不同方法同時(shí)制造出“時(shí)間晶體”，宣告了“時(shí)間晶體”不再只是科幻電影《神秘博士》中虛擬的“時(shí)空穿梭機(jī)”，更為人類研究物質(zhì)特性打開了全新的思維方式。

諾獎得主首先提出概念

2012年，諾貝爾物理學(xué)獎得主、理論物理學(xué)家弗蘭克·維爾切克首次預(yù)測了時(shí)間晶體的存在。普通晶體擁有在空間中重復(fù)排列的原子結(jié)構(gòu)，例如鉆石中的碳晶格。但是愛因斯坦的相對論告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有第四維度，也就是時(shí)間。因此，維爾切克就想會不會有在時(shí)間上重復(fù)的晶體呢？經(jīng)過計(jì)算，他認(rèn)為這類晶體不僅存在，而且具有一種奇特的性質(zhì)：它在基態(tài)時(shí)也會維持振蕩的狀態(tài)。

通常情況下，當(dāng)物質(zhì)處于基態(tài)時(shí)，理論上是不可能發(fā)生運(yùn)動的，因?yàn)檫\(yùn)動需要消耗能量。但是維爾切克認(rèn)為，這一通常假設(shè)并不適用于時(shí)間晶體。

時(shí)間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但是這種運(yùn)動的不同之處在于它不消耗任何能量。時(shí)間晶體就像是在自然的基態(tài)條件下持續(xù)振蕩的“果凍”，它不可能保持靜止，這使得它成為一種擁有全新物態(tài)的非平衡態(tài)物質(zhì)。

掀開量子計(jì)算新篇章

去年夏天，美國加州大學(xué)伯克利分校研究人員在《物理評論快報(bào)》上刊登了一篇論文，描述了制造“時(shí)間晶體”和測量其特性的方法。此次馬里蘭大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)和哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在制造“時(shí)間晶體”實(shí)驗(yàn)中，都運(yùn)用到這種方法。

其中，以馬里蘭大學(xué)張頡頏博士為首的科研團(tuán)隊(duì)將10個(gè)帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個(gè)磁場，用另一束激光反轉(zhuǎn)原子的自旋方向，一遍一遍地重復(fù)該過程，最終讓原子進(jìn)入在時(shí)間上重復(fù)的反轉(zhuǎn)模式，從而制造出“時(shí)間晶體”。

而哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以金剛石和其中100萬個(gè)隨機(jī)分布的氮-空位為實(shí)驗(yàn)平臺，制備出一種離散型“時(shí)間晶體”。因?qū)嶒?yàn)樣本大，這一方法暗示“時(shí)間晶體”在自然界中存在的可能性比想象的要高很多。

專家認(rèn)為，“時(shí)間晶體”是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，將為物理學(xué)研究打開一個(gè)全新世界，回答與物質(zhì)本性有關(guān)的各種基本問題。

現(xiàn)在，“時(shí)間晶體”已經(jīng)制造成功，其實(shí)際運(yùn)用或在不久后實(shí)現(xiàn)，將能幫助科學(xué)家開發(fā)出儲存和處理數(shù)據(jù)的全新量子計(jì)算機(jī)，翻開量子計(jì)算的新篇章。（據(jù)科技日報(bào)、環(huán)球科學(xué)）※