此次研究成果意义重大:这是第一次,孤立的粒子群表现为时间晶体的奇异物质状态,并连接到一个单一的、不断发展的系统,这是将时间晶体用于实际目的的下一步,例如量子信息处理。
“每个人都知道永动机是不可能的,”Samuli Autti说,“然而,在量子物理学中,只要我们闭上眼睛,永动机是可以的。通过潜入这个缝隙,我们可以制造时间晶体。”
该团队使用的时间晶体由称为“磁振子”(magnon)的准粒子组成:磁振子不是真正的粒子,而是由电子自旋的集体激发组成,就像通过自旋晶格传播的波一样。当氦-3(一种具有两个质子但只有一个中子的氦的稳定同位素)冷却到绝对零度的万分之一以内时,就会出现磁振子——这就产生了“B相超流体”(B-phase superfluid,一种具有低压的无黏性流体)。
实验示意图。超流体氦-3样品被装在一个石英玻璃缸中。磁振子时间晶体(蓝色圆球)被困于容器中间,这是由于使用线圈(pinch coil,绿色线环)产生的静态磁场的最小值和超流体轨道动量L(绿色小箭头)的空间分布共同作用的结果;使用线圈(NMR coil)可以观察到时间晶体中磁化M(粉红色锥体)的相干预演;静态磁场H的方向与圆柱体的轴线平行。
在B相超流体这种介质中,时间晶体形成为空间上不同的玻色-爱因斯坦凝聚态(由玻色子冷却到绝对零度以上形成),每个凝聚态由一万亿个磁振子准粒子组成。
这导致它们沉入最低能量状态,移动得非常缓慢并且聚集在一起甚至重叠产生高密度的原子云,其作用类似于一个“超级原子”或物质波。当两个时间晶体被允许相互接触时,它们交换了磁振子。这种交换影响了每个时间晶体的振荡,创建了一个单一的系统,时间晶体可以选择在两种离散状态下运行。