傳統(tǒng)上，凝聚態(tài)物理主要關(guān)注物質(zhì)的平衡態(tài)相，這些相態(tài)具有靜態(tài)的空間有序性。然而，近年來，非平衡系統(tǒng)的研究取得了重大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了許多超越傳統(tǒng)分類的奇異狀態(tài)。其中，耗散時間晶體就是其中一個引人注目的例子，它在耗散能量的同時表現(xiàn)出涌現(xiàn)的時間有序性。最近發(fā)表在《自然物理》的論文研究了耗散時間晶體的迷人現(xiàn)象，特別關(guān)注它們在強(qiáng)相互作用的里德伯氣體中的實現(xiàn)。

耗散時間晶體

時間晶體的概念最初似乎是矛盾的。根據(jù)定義，晶體具有空間周期性。一個系統(tǒng)如何在不違反基本物理定律的情況下?lián)碛袝r間周期性？解決這一明顯矛盾的辦法在于區(qū)分平衡系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)。

Frank Wilcze從理論上提出的平衡時間晶體，會自發(fā)地打破時間平移對稱性，就像空間晶體打破平移對稱性一樣。然而，由于諾特定理將對稱性與守恒定律聯(lián)系起來，這樣的系統(tǒng)被認(rèn)為是不可能的。

另一方面，耗散時間晶體通過遠(yuǎn)離平衡而繞過了這一限制。在外部能量輸入和耗散環(huán)境的驅(qū)動下，這些系統(tǒng)可以在不違反基本原理的情況下表現(xiàn)出持續(xù)的振蕩。它們存在的關(guān)鍵在于驅(qū)動、耗散和非線性相互作用之間的微妙平衡。

里德伯氣體

里德伯氣體由被激發(fā)到高激發(fā)態(tài)的原子組成，為研究強(qiáng)相互作用的量子多體系統(tǒng)提供了一個獨(dú)特的平臺。里德伯原子之間的遠(yuǎn)距離偶極-偶極相互作用產(chǎn)生了豐富而復(fù)雜的現(xiàn)象，使它們成為探索物質(zhì)新量子相的理想候選者。

在耗散時間晶體的情況下，里德伯氣體提供了幾個優(yōu)點(diǎn)。首先，里德伯原子之間的強(qiáng)相互作用可能導(dǎo)致非線性動力學(xué)，這是打破時間平移對稱性所必需的。其次，里德伯激勵的相干性允許對系統(tǒng)進(jìn)行精確的控制和操縱。最后，里德伯原子通過自發(fā)發(fā)射與環(huán)境的耦合提供了一個自然的耗散源。

實驗實現(xiàn)與觀察

最近的實驗證明了在強(qiáng)相互作用的里德伯氣體中耗散時間晶體的產(chǎn)生和觀察。通過用激光脈沖驅(qū)動里德伯氣體，并將其耦合到光學(xué)腔中，研究人員已經(jīng)觀察到系統(tǒng)特性中光子傳輸?shù)某掷m(xù)振蕩。這些振蕩在很長的時間尺度上持續(xù)存在，表明時間秩序的出現(xiàn)。

這些時間晶體背后的潛在機(jī)制涉及不同里德伯態(tài)之間的相互作用。系統(tǒng)可能陷入極限環(huán)，不同的里德伯分量共存和競爭，導(dǎo)致振蕩行為。觀測到的時間晶體相表現(xiàn)出對擾動的魯棒性，進(jìn)一步支持其作為一種不同的物質(zhì)相的分類。

影響及未來方向

在里德伯氣體中實現(xiàn)耗散時間晶體為基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用開辟了令人興奮的可能性。這些系統(tǒng)為研究非平衡態(tài)量子多體物理和探索量子熱力學(xué)邊界提供了有價值的實驗平臺。此外，時間晶體可能對量子計量學(xué)和信息處理有影響。

未來的研究方向包括研究更復(fù)雜系統(tǒng)中耗散時間晶體的性質(zhì)，如無序或開放量子系統(tǒng)。理解量子漲落在穩(wěn)定時間晶體相中的作用也是一個重要的探索領(lǐng)域。此外，探索時間晶體在量子技術(shù)中的潛在應(yīng)用仍然是一個開放和有前途的領(lǐng)域。