科學家確認製造出「時間晶體」一種全新的物質形態!

Comment is Closed

不具能量的永久運動。

幾個月來,有人猜測研究人員可能終於創造出時間晶體(time crystal),一種奇怪的晶體,具有一種不僅僅在空間重現的原子結構,但在時間上,使它們處於不具能量的永久運動。

現在是正式的,研究人員剛剛報告如何製作和測量這些怪異的晶體。兩個獨立小組的科學家聲稱,根據這個藍圖,他們實際上已經在實驗室裡創造出時間晶體,證實了一種全新物質形態的存在。

這個發現可能聽起來相當抽象,但它預告著物理學一個全新的紀元。幾十年來,我們一直在研究被定義為’處於平衡狀態'(in equilibrium)的物質,例如金屬和絕緣體。

但根據預測,宇宙有很多更奇怪的物質種類,它們不是處於平衡狀態,甚至我們還沒有開始調查,包括時間晶體。而現在,我們知道它們是真的。

我們現在有第一個非平衡狀態物質的樣本,可能帶領我們突破對圍繞我們的世界的理解,以及對新技術的突破,像是量子電腦。

來自加州大學柏克萊分校的首席研究員Norman Yao說:「這是物質、週期的一個新位相,但它也很酷,因為它是非平衡狀態物質的第一個例子之一。」

「在過去的半個世紀,我們一直在探索平衡狀態物質,如金屬和絕緣體。我們才剛剛開始探索一個全新的非平衡狀態物質的景觀。」

讓我們倒退一下,因為時間晶體的概念一直流傳了好幾年。

回到2012年,首先由諾貝爾獎得主理論物理學家法蘭克‧威爾切克(Frank Wilczek)預測,時間晶體看起來像是移動的結構,甚至在被稱為基態(ground stat)的最低能量狀態移動。

推薦文章:  「區塊鏈」可淘汰世界上所有的銀行,改變金融業,與解放人類

通常當材料處於基態時,也稱為系統的零點能量(zero-point energy),意味著在理論上移動應該是不可能發生的,因為這需要消耗能量。

但Wilczek預測,對時間晶體來說,可能不是這樣子。

正常晶體具有在空間重現的原子結構,就像鑽石的碳晶格。但是,就像是一顆紅寶石或一顆鑽石,它們是不動的,因為它們處於基態的平衡狀態。

但時間晶體具有在時間重現的結構,而不是只在空間,而且它維持在基態中振盪。

想像它像是果凍,當你輕拍時它會來回晃動。同樣的情況發生在時間晶體,但最大的不同處在於運動發生沒有消耗任何能量。

時間晶體就像是在自然的基態下不斷震盪的果凍,而這就是造成它成為一種全新的物質形態,非平衡狀態物質。它無法維持不動。

但是,預測這些時間晶體存在是一回事,做出它們是完全另一回事,這正是新研究要做的事。

Yao和研究小組現在提出一個詳細的藍圖,確實描述如何製造和測量時間晶體的特性,甚至預測圍繞時間晶體不同的位相應該是什麼樣子。意味著對於物質的新形態,他們已經提出等效的固態位相、液態位相和氣態位相。

發表在物理評論快訊(Physical Review Letters)期刊,Yao把這篇論文視為是”理論概念與實驗履行之間的橋樑”。

而這也不僅僅是推測。基於Yao的藍圖,兩組獨立的研究小組,一組來自馬里蘭大學以及另一組來自哈佛大學,現在按照指示來做出自己的時間晶體。

推薦文章:  改變世界的科技! 生化玫瑰可以用來生長電腦系統!

馬里蘭大學的時間晶體是透過採取10個鐿離子(ytterbium ion)的康加(conga)線所產生的,所有的離子都有糾纏的電子自旋。

 Chris Monroe, University of Maryland

將這種設置轉變成時間晶體的關鍵是保持離子在不平衡狀態。而為了要做到這點,研究人員使用兩個雷射來交替擊中它們。一個雷射產生磁場,而第二個雷射則部分地翻轉原子的自旋。

因為所有原子的自旋都是糾纏的,這些原子習慣於一個定義為晶體的穩定且重複的自旋翻轉模式。

這是很正常的,但為了要變成時間晶體,這個系統必須打破時間對稱性,而在觀察鐿原子的康加線後,研究人員注意到它做了一些奇怪的事情。

這兩個週期性輕推鐿原子的雷射在系統中產生兩倍於輕推週期的重現,這在正常系統中是不會發生的。

Yao說:「如果你輕輕搖晃凝膠物,然後發現它以某種方式在不同的週期作出反應,不是超級奇怪嗎?」

「但這是時間晶體的本質。你有一些’T’週期的週期性驅動器,但系統以某種方式同步;因此,你觀察到系統以大於’T’的週期震盪。」

在不同的磁場和雷射脈衝下,時間晶體然後改變位相,就像冰塊融化一樣。

 Norman Yao, UC Berkeley

推薦文章:  惠普成功測試新的電腦運算系統,速度比現在的快8000倍!

哈佛大學的時間晶體是不一樣的。研究人員利用在鑽石中心的空處,密集填擠氮來做出時間晶體,但有相同的結果。

在這篇論文附帶的透視圖,沒有參與這項研究的印第安納大學的菲爾‧黎舍姆(Phil Richerme)解釋:「在兩個迴然不同的系統中達成類似的結果,強調出時間晶體是物質一個明顯的新位相,而非僅僅是一個好奇心,被歸類於小或狹窄的特定系統。」

「離散時間晶體(discrete time crystal)的觀察…證實了對稱斷裂(symmetry breaking)可以實質發生在所有的自然界中,並且清掃幾種研究新途徑的道路。」

Yao的藍圖已經發表於物理評論快報(Physical Review Letters)。你可以在這裡看到哈佛大學的時間晶體論文,以及在這裡看到馬里蘭大學的論文。

來源:ScienceAlert