首次,行為表現像是被稱為時間晶體time crystals)的怪異物質狀態孤立粒子群,被連結成單一、發展中的系統,可能在量子計算quantum computing中會非常地有用。 2020 年的研究發表了第一次觀察到兩個時間晶體彼此間的互動之後,下一個步驟的目標,是要研究能如何地將時間晶體運用於實際目的上,例如量子資訊處理。

何謂時間晶體?

直到 2016 年才被正式發現與確認的時間晶體,曾被認為在物理上是不可能發生的。它們是一種很類似於正常晶體的物質相,但是有多一種特異且非常特別的性質。

在普通晶體中,原子是以固定、三維網格的結構排列,像是鑽石或石墨晶體的原子晶格。這些重複的晶格可以在構型上有所差異,但是它們所呈現的任何運動都完全來自外部推力。

在時間晶體中,原子表現得稍微不一樣。它們隨著時間表現出運動模式,無法很簡單地由外部推力或擠壓而解釋。這些被稱作是「滴答聲」(ticking)的震盪,被鎖定在一個規律且特定的頻率上。

理論上來說,時間晶體在它們最低的能量態,也就是基態時會滴答地震盪,也因此在長時間下是穩定且連貫的。因此,普通晶體的結構是在空間中重複的,而時間晶體的結構是在時間與空間中重複的,因此展現出永久的基態運動。

本研究主要作者,英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)的物理學家沙穆里·奧地博士(Samuli Autti)說:「每個人都知道永動機是不可能發生的。但是,在量子物理當中,只要我們閉上眼睛,永動機是可能發生的。藉由潛入這個裂縫中,我們就可以製作時間晶體。」

研究內容

團隊正在研究的時間晶體包括了稱作磁振子(magnons)的準粒子(quasiparticle)。磁振子並不是真的粒子,但是包含了電子自旋的集體激發,像是一波穿過自旋晶格的波浪。

當氦的穩定同位素,也就是有兩顆質子但只有一顆中子的氦-3,降溫到絕對零度的 1/10000 以內時,磁振子會出現。這創造出了一種稱作 B 相的超流體,也就是低壓的零黏度流體。

在這種媒介中,時間晶體會作為空間上不同的玻色–愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)而形成,而每個玻色–愛因斯坦凝態都包含有一兆顆磁振準粒子。

玻色–愛因斯坦凝態是玻色子冷卻到絕對零度以上一點點時所形成的,但不是在絕對零度上,因為在那個溫度上原子都停止移動了。這使得玻色子降回到最低的能量態,移動非常地緩慢,並且聚集得夠近而重疊,因而產生高密度的原子雲,行為表現像是一顆「超級原子」或是物質波。

當兩個時間晶體被允許互相碰觸時,它們會交換磁振子。這項交換影響了每個時間晶體的震盪,創造出了單一個系統,但是能夠選擇在兩個分離的狀態下運作。

未來展望

在量子物理中,能夠有多於一種狀態的物體,在能夠藉由清楚的量測來明確知道情況之前,存在於那些狀態的混合體中。因此,若具有能夠在兩個狀態的系統下運作的時間晶體的話,就能提供豐富的新選擇,來做為量子技術的基礎。

時間晶體在被部署為量子位元前,還有一段很長的路要走,畢竟還有為數眾多的阻礙得先解決。但是這些片段已經開始到位了。今年初,另一組不同的物理學家團隊宣布,他們已成功地創造了室溫下的時間晶體,而不需要從周圍環境中隔離。

研究人員需要進一步研究時間晶體間更複雜的互動、及這之間的精細控制,正如同在不需要冷卻的超流體之下,觀察彼此互動的時間晶體般。但是,科學家們很樂觀。

奧地博士說:「結果發現,即使時間晶體本來是不應該出現的,但將它們兩個放在一起時,能夠合作地相當漂亮。而我們也已經知道,它們在室溫下是存在的。」

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參考資料:

  1. Starr. M., (2022, June 2). Two Time Crystals Have Been Successfully Linked Together for The First Time. ScienceAlert
  2. Autti, S. et al., (2022, June 2). Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w
  3. Autti, S. et al., (2020, August 17). AC Josephson effect between two superfluid time crystals. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-020-0780-y
  4. Taheri, H. et al., (2022, February 14). All-optical dissipative discrete time crystals. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-28462-x
  5. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/physicists-have-built-a-two-body-system-using-time-crystals-for-the-first-time(圖:Alexandr Gnezdilov Light Painting/Moment/Getty Images)
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