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自(zi)發(fa)對(dui)稱性(xing)破(po)缺是近代物(wu)理(li)(li)學最重要的(de)(de)概念之一(yi)，它(ta)可以描(miao)述各(ge)種(zhong)豐富的(de)(de)量子物(wu)態形成的(de)(de)機制。作(zuo)為(wei)人們熟知的(de)(de)一(yi)個(ge)例子，空間平移對(dui)稱性(xing)的(de)(de)自(zi)發(fa)破(po)缺會使得(de)(de)物(wu)質(zhi)中的(de)(de)原子在(zai)空間上形成有序的(de)(de)周(zhou)期分布，從而導(dao)致(zhi)了晶(jing)體(ti)的(de)(de)產生。由于空間和時(shi)(shi)間的(de)(de)等價性(xing)，一(yi)個(ge)自(zi)然的(de)(de)問題就是相互(hu)作(zuo)用能否(fou)導(dao)致(zhi)時(shi)(shi)間平移對(dui)稱性(xing)的(de)(de)自(zi)發(fa)破(po)缺，并(bing)在(zai)時(shi)(shi)間維(wei)度上結晶(jing)。2012年，諾(nuo)貝爾獎物(wu)理(li)(li)學獎得(de)(de)主弗朗克(ke)·維(wei)爾切克(ke)(Frank Wilczek)首次預言了“時(shi)(shi)間晶(jing)體(ti)”的(de)(de)存在(zai)。處(chu)于“時(shi)(shi)間晶(jing)體(ti)”相的(de)(de)物(wu)理(li)(li)系統會隨著時(shi)(shi)間不斷(duan)地(di)自(zi)我(wo)重復，呈現持續的(de)(de)周(zhou)期性(xing)振(zhen)蕩行為(wei)。自(zi)此，關于“時(shi)(shi)間晶(jing)體(ti)”的(de)(de)討論(lun)一(yi)直是量子多(duo)體(ti)物(wu)理(li)(li)的(de)(de)熱點問題。然而，眾多(duo)的(de)(de)理(li)(li)論(lun)分析(xi)指出，由于量子漲落，連續“時(shi)(shi)間晶(jing)體(ti)”相很難穩(wen)定(ding)地(di)存在(zai)于處(chu)于平衡態的(de)(de)系統中。
圖(tu)1.(a)實驗(yan)裝置(zhi)實拍圖(tu)。該裝置(zhi)中原(yuan)子氣體(ti)處于(yu)室溫，不需要額外(wai)制冷。(b)實驗(yan)裝置(zhi)示(shi)意圖(tu)。對(dui)向入射的耦合光(guang)(guang)(Coupling)與探測(ce)光(guang)(guang)(Probe)會將基態原(yuan)子激發(fa)到里德堡態并對(dui)探測(ce)光(guang)(guang)形成(cheng)電磁誘導透(tou)明(EIT)。另一束參(can)考光(guang)(guang)(Reference)用(yong)于(yu)差(cha)分測(ce)量。(c)典型的時間晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩信號
近期(qi)，清(qing)華(hua)大學物(wu)理系(xi)(xi)(xi)尤力(li)教授研究(jiu)組在“時(shi)間晶(jing)體(ti)”研究(jiu)中(zhong)取得(de)突破性進展，他們(men)首次在強相(xiang)互作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)室(shi)溫里德(de)堡(bao)氣(qi)體(ti)(圖1)中(zhong)觀(guan)(guan)測到(dao)了持續且穩定的(de)(de)(de)(de)時(shi)間晶(jing)體(ti)信號(hao)，其(qi)振蕩幅度在實驗觀(guan)(guan)測時(shi)間內沒有發現任何衰減。不同于傳統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)有限溫體(ti)系(xi)(xi)(xi)，研究(jiu)所(suo)構建(jian)的(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)是一種非(fei)平衡態系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)，其(qi)中(zhong)里德(de)堡(bao)原(yuan)子間的(de)(de)(de)(de)長程相(xiang)互作(zuo)用(yong)，相(xiang)干的(de)(de)(de)(de)外(wai)場(chang)驅(qu)動，以及原(yuan)子的(de)(de)(de)(de)自發輻射等耗(hao)(hao)散之間的(de)(de)(de)(de)協同作(zuo)用(yong)是“時(shi)間晶(jing)體(ti)”得(de)以穩定存在的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)。這種特殊(shu)的(de)(de)(de)(de)“時(shi)間晶(jing)體(ti)”也(ye)被稱為“耗(hao)(hao)散時(shi)間晶(jing)體(ti)”。
圖2.長程時(shi)(shi)間(jian)序的(de)建立。(a)系統的(de)單(dan)次淬火(huo)動力學信號(hao)。(b)不同時(shi)(shi)間(jian)段振蕩信號(hao)的(de)傅立葉(xie)變換。(c)傅立葉(xie)變換的(de)峰(feng)值頻率隨著時(shi)(shi)間(jian)演化逐漸(jian)穩定。(d)不同時(shi)(shi)間(jian)段系統的(de)自關聯函(han)數
在(zai)此基礎上，團隊成員測量了系統(tong)的(de)(de)淬火動力學(xue)，發(fa)現(xian)在(zai)經過(guo)一(yi)個短暫的(de)(de)弛豫(yu)過(guo)程(cheng)后(hou)系統(tong)才在(zai)時(shi)間(jian)維度(du)上建(jian)立起真正(zheng)的(de)(de)長程(cheng)序(true long-range order)，形(xing)成穩(wen)定的(de)(de)(時(shi)間(jian))晶格結構(gou)(圖(tu)2)。同時(shi)，研究團隊發(fa)現(xian)觀測到的(de)(de)振蕩信號對(dui)外界噪(zao)聲具有很(hen)好的(de)(de)抗干擾性(xing)，即使人為地添加很(hen)強的(de)(de)噪(zao)聲，“時(shi)間(jian)晶體”相(xiang)也不會(hui)完全被破壞。進一(yi)步，研究團隊與(yu)(前)奧胡斯大學(xue)的(de)(de)楊帆博士和托馬斯·波爾(Thomas Pohl)教授展開理論合作，揭示了該系統(tong)中形(xing)成“時(shi)間(jian)晶體”的(de)(de)另一(yi)關鍵機制：多種(zhong)里德堡組分(fen)之(zhi)間(jian)的(de)(de)相(xiang)互競(jing)爭，并(bing)進行了實驗(yan)驗(yan)證。
相(xiang)關研究成果以“強相(xiang)互(hu)作用的里德(de)堡(bao)氣體中的耗(hao)散時(shi)間(jian)晶(jing)體”(Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas)為題，于(yu)7月2日(ri)發(fa)表于(yu)《自(zi)然·物理》(Nature Physics)雜志。
清華(hua)大(da)(da)學物(wu)理(li)系2017級博(bo)(bo)士(shi)生吳曉凌(ling)、2021級博(bo)(bo)士(shi)生王竺卿、2015級博(bo)(bo)士(shi)生楊帆(現為奧(ao)地(di)利(li)因斯(si)布魯(lu)克大(da)(da)學博(bo)(bo)士(shi)后研(yan)(yan)究(jiu)員(yuan))為論文(wen)的共同第一作(zuo)(zuo)者(zhe)。北京(jing)量子(zi)(zi)信息(xi)科(ke)(ke)學研(yan)(yan)究(jiu)院助(zhu)(zhu)理(li)研(yan)(yan)究(jiu)員(yuan)李相良(liang)、奧(ao)地(di)利(li)維也納工業大(da)(da)學教授托馬斯(si)·波爾(er)(Thomas Pohl)和(he)尤力為論文(wen)的通訊作(zuo)(zuo)者(zhe)。合作(zuo)(zuo)者(zhe)還包括清華(hua)大(da)(da)學物(wu)理(li)系2022級博(bo)(bo)士(shi)生高若晨、2018級博(bo)(bo)士(shi)生梁超(chao)、副教授鄭盟(meng)錕。研(yan)(yan)究(jiu)得到國(guo)(guo)家自然(ran)科(ke)(ke)學基金委、科(ke)(ke)技部、清華(hua)大(da)(da)學低維量子(zi)(zi)物(wu)理(li)國(guo)(guo)家重點實(shi)(shi)驗室(shi)、量子(zi)(zi)信息(xi)前(qian)沿科(ke)(ke)學中心、北京(jing)量子(zi)(zi)信息(xi)科(ke)(ke)學研(yan)(yan)究(jiu)院和(he)合肥(fei)國(guo)(guo)家實(shi)(shi)驗室(shi)的資助(zhu)(zhu)。
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//www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9
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