被稱為時間晶體的結構,在時間上重復傳統(tǒng)晶體在空間中重復的方式,吸引了跨學科研究人員的興趣和想象力。這個概念是從量子多體系統(tǒng)背景中產(chǎn)生的,但蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理學家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一個多功能的框架,闡明了與近兩個世紀以來經(jīng)典著作之間的聯(lián)系,從而提供了一個統(tǒng)一的平臺來探索看似不同現(xiàn)象。在晶體中,原子是高度有序的,占據(jù)了形成空間圖案的明確位置。
2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·威爾塞克(Frank Wilczek)思考了晶體空間秩序時間模擬的可能性:在其最低能量狀態(tài)下顯示持續(xù)周期性時間調制的系統(tǒng)。這種具有振蕩基態(tài)的結構的概念非常耐人尋味。在這個想法發(fā)表后不久,事實證明,如果不打破物理學的基本定律,這樣的時間晶體是不可能的。然而,后面的理論研究表明,當量子多體系統(tǒng)被周期性驅動時,新的持續(xù)時間關聯(lián)出現(xiàn),這些關聯(lián)喚起了Wilczek的時間晶體。
時間晶體不那么短暫的歷史
這些驅動系統(tǒng)被稱為離散時間晶體,2017年,這些狀態(tài)的第一次實驗實現(xiàn)被報告在顯示量子力學屬性耦合粒子(離子,電子和核)的集合中。不久,敏銳的觀察者發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)中離散時間晶體和所謂參數(shù)諧振器之間有明顯的相似之處。這是經(jīng)典物理學中的一個概念,可以追溯到邁克爾·法拉第在1831年的研究。然而,這兩個研究直接的聯(lián)系仍然不透明?,F(xiàn)在,理論家們已經(jīng)開發(fā)了一個新框架,但在消除周期性驅動的經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)之間相似之處的模糊性方面有很長的路要走。
發(fā)表在《物理評論快報》上的新研究中,蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理系的博士生Toni Heugel和同一機構的學生Matthias Oscity與理論物理研究所的Ramasubramanian Chitra博士和Oded Zilberberg教授以及固態(tài)物理實驗室的Alexander Eichler博士合作:研究了報告理論和實驗工作,確定如何產(chǎn)生離散時間晶體,一方面,不需要量子力學效應,另一方面,顯示真正的多體效應,這是量子系統(tǒng)中離散時間晶體的特征。在量子多體系統(tǒng)中,經(jīng)典參數(shù)諧振器和實驗實現(xiàn)的離散時間晶體之間有一個明顯相似之處:兩者都在驅動頻率頻率上顯示出動力學。
在離散時間晶體的背景下,這種次諧波頻率振蕩的出現(xiàn)打破了被驅動系統(tǒng)的時間周期性,提供了對晶體空間順序的“時間模擬”,其中空間的對稱性被打破。在經(jīng)典參數(shù)驅動系統(tǒng)中,次諧頻率以更熟悉的方式出現(xiàn):例如,秋千上的孩子以兩倍于所產(chǎn)生振動的頻率改變重心。但是,這些不同的現(xiàn)象彼此之間有什么關系嗎?是的,蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理學家說:特別是,精確地指出了經(jīng)典系統(tǒng)中出現(xiàn)多體方面的位置。為此,考慮了具有可調耦合的經(jīng)典非線性振蕩器。
眾所周知,對于某些驅動頻率和強度,參數(shù)振蕩器變得不穩(wěn)定,然后經(jīng)歷所謂的倍周期分岔,超過該分岔時,參數(shù)振蕩器以其驅動頻率的一半振蕩。研究人員探索了當幾個這樣的振蕩器耦合在一起時會發(fā)生什么。在計算以及使用兩個之間具有可變耦合的字符串的實驗中,發(fā)現(xiàn)了兩個不同的區(qū)域。當耦合很強時,兩弦系統(tǒng)集體運動,本質上再現(xiàn)了孩子在秋千上的動作。然而,在字符串之間弱耦合的情況下,每個字符串的動力學與非耦合系統(tǒng)所顯示的動力學相似。
因此,耦合振蕩器不是整體分叉,而是在驅動器的略微不同的參數(shù)下單獨分叉,導致更豐富的整體動力學,隨著系統(tǒng)變得更大,其變得越來越復雜。研究人員認為,這種弱耦合模式類似于量子多體系統(tǒng)中出現(xiàn)的模式,這意味著該框架可能解釋在這些系統(tǒng)中通過實驗觀察到的行為。此外,新研究確定了產(chǎn)生經(jīng)典多體時間晶體的一般條件,這些最終可以用來解釋和探索量子對應物的特征。
研究來自:蘇黎世聯(lián)邦理工學院
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.124301
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原文標題:不可思議:在“時間晶體”中,空間的對稱性被打破!
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