时间晶体新进展

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1. 时间晶体新进展

晶体是在空间维度上具有特定周期性结构的物质。而由诺贝尔奖得主Wilczek教授在2012年提出的“时间晶体”，顾名思义是将晶体的空间维度换成时间维度。时间晶体指那些打破时间平移对称性，在特定周期上有序重复的多体系统。通俗地说，时间晶体不需要外界提供能量，却可以一直不停地以固定模式周期性运动。

正是这个有趣的性质，使时间晶体概念在诞生之初，在科学家还尚未厘清头绪之前，就已经在社会上传播甚广。“量子永动机”、“热力学第二定律被推翻”、“因果律被破坏”等五花八门的各种猎奇性解读都曾见诸报端。

与社会公众的热心围观相比，学界起初的反应倒是颇为谨慎。事实上，Wilczek教授的论文发表后不久，便有法国和日本的研究者通过理论计算指出，均衡多体系统在不受外部影响的情况下，基态必然保持时间演化的平移对称性，即不可能实现Wilczek所描述的时间晶体。不过，这些“判决书”的作用与其说是否定时间晶体，倒不如说是进一步帮助澄清时间晶体的存在条件。

在经过一段时间的理论梳理之后，加州大学伯克利分校的华裔科学家Norman Yao在2016年提出了一个方案，可以通过施加周期性外部影响，使多体系统的基态一直处于周期性变化的非均衡状态。马里兰大学和哈佛大学的两个实验团队，很快便沿着Yao的方案分别制备出两种时间晶体。这一波进展，使时间晶体又一次吸引了诸多社会关注。

然而依靠外部周期性驱动所制备的时间晶体，总给人一种无甚了然的感觉。Yao所设计的时间晶体，自身基态周期并不等于外部驱动周期[1]，这种被周期性影响所催生出的周期性现象，使得时间晶体概念问世之初带给人的震撼感打了折扣。

最近，两位不甘心退而求其次的研究者，再一次仔细研究当初那些对均衡态时间晶体的否定性判决，发现其中一些隐含条件似乎可以被突破。俄罗斯的Valerii K. Kozin和Oleksandr Kyriienko近日在《物理评论快报》上发表了他们的理论研究成果[2]。他们发现，如果多体系统中的内部相互作用是长程力，且随距离衰减的足够慢，那么即使系统处于均衡态，其基态也有可能自发的周期性振荡。

此前这一条件被其他研究者忽视，大概是因为引力和电磁力这类长程力都是随距离平方反比衰减，这种衰减无法支撑系统成为时间晶体。而两位研究者独辟蹊径，他们的模型用N个自旋为1/2的弦构建而成，并使其基态为自旋N/2的最大纠缠态。只通过简单的演算，模型就清晰的展示出确定无疑的时间晶体属性。

这一结论虽然基于尚未证实的弦，但其模型框架完全可以应用于凝聚态领域的数学等效对象。其意义不仅是将均衡多体系统拯救出冷宫，更有可能在不久的将来指引后续研究者制造出脱离于外部驱动的稳定时间晶体。

[1] 注：Yao所设计的时间晶体，自身基态周期整数倍于外部驱动周期

[2] Kozin V K, Kyriienko O. Quantum Time Crystals from Hamiltonians with Long-Range Interactions[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(21): 210602.