物理学家发现一种奇特的新型时间晶体

然而，有序性也能以一种更为惊人的方式出现——无需任何外部计时器，自发形成。当无数粒子以复杂方式相互作用时，它们并非表现出混乱状态，而是能自发进入重复的节律。这种现象被称为“时间晶体”。维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员现已证明，时间晶体的形成机制与科学家此前认为的完全不同。他们的计算表明，曾被认为会破坏这些模式的粒子间量子关联，实际上反而有助于稳定它们。这一发现为理解量子多粒子系统中集体行为的涌现方式提供了全新的视角。

空间晶体与时间晶体
当液体凝固时，其粒子会从无序转变为有序。在液态时，粒子自由随机运动，没有特定的模式。当液体凝固，粒子固定在精确的位置上，形成规则且重复的空间结构——晶体。液体在各个方向上都是均匀的，但晶体打破了这种对称性：它获得了结构，某些方向变得与其他方向不同。

类似的对称性破缺能否在时间而非空间中发生？一个最初在每个时刻行为都相同的量子系统，是否会自发形成重复的时间模式——一种标志着时间本身出现有序性的节律？

量子涨落：有害还是有益？
“这个问题在量子物理学领域已被深入研究了十多年，”维也纳工业大学理论物理研究所的菲利克斯·鲁索（Felix Russo）表示，他正在托马斯·波尔（Thomas Pohl）教授的团队中进行博士论文研究。事实上，研究已表明所谓的时间晶体是可能存在的——这类系统无需外部施加节拍就能建立时间节律。

“然而，人们曾认为这仅在非常特定的系统中才可能实现，例如量子气体，其物理性质可以通过平均值很好地描述，而无需考虑量子物理学中不可避免的随机涨落，”菲利克斯·鲁索说。“我们现在已经证明，正是那些此前被认为会阻碍时间晶体形成的粒子间量子物理关联，反而能导致时间晶体相的出现。”

粒子间复杂的量子相互作用会引发集体行为，这种行为无法在单个粒子层面得到解释——这类似于熄灭的蜡烛产生的烟雾有时会形成一系列规则的烟圈；这种现象的节律并非由外部决定，也无法通过单个烟雾粒子来理解。

激光晶格中的粒子
“我们正在研究由激光束固定的二维粒子晶格，”菲利克斯·鲁索说。“并且我们可以证明，由于粒子间的量子相互作用，晶格的状态开始振荡。”

这项研究为更好地理解量子多体系统理论提供了机会，也为新的量子技术或高精度量子测量技术铺平了道路。