科学家观察到时间晶体：离开发现实应用又近了一步

我们都见过晶体，无论是简单的盐粒或糖粒还是精致美丽的紫水晶。这些晶体由原子或分子组成，以对称的三维模式重复，被称为晶格，其中原子在空间中占据特定的点。如通过形成一个周期性的晶格，钻石中的碳原子打破了它们所在空间的对称性。物理学家将此称为“打破对称性”。

科学家们最近发现，类似的效果也可以在时间中得到见证。对称性打破，顾名思义，只有在存在某种对称性的地方才能出现。在时间领域，一个周期性变化的力量或能量源自然产生一个时间模式。

当一个由这种力驱动的系统面临一个似曾相识的时刻时，对称性就会被打破，但跟该力的周期不同。在过去十年中，“时间晶体”被作为物质的一个新阶段来追求，最近在隔离系统中的精心实验条件下被观察到。这些实验需要极低的温度或其他严格的条件，以减少不必要的外部影响。

为了让科学家们更多地了解时间晶体并在技术中运用它们的潜力，他们需要找到产生时间晶体状态并在实验室外保持其稳定性的方法。

本周发表在《Nature Communications》上的由加州大学河滨分校(UCR)领导的前沿研究已经在一个没有与周围环境隔离的系统中观察到了时间晶体。这一重大成就使科学家们离开发用于现实世界应用的时间晶体又近了一步。

这项研究的论文第一作者Hossein Taheri说道：“当你的实验系统跟周围环境有能量交换时，耗散和噪声会携手破坏时间秩序。在我们的光子平台上，系统在增益和损耗之间取得了平衡，以创造和保存时间晶体。”

全光时间晶体是通过一个直径为一毫米的盘状氟化镁玻璃谐振器实现。当被两束激光轰击时，研究人员观察到次谐波尖峰或两束激光之间的频率音，这表明时间对称性被打破，时间晶体产生。

UCR领导的团队利用了一种叫做自注入锁定的技术，它将两束激光锁定在谐振器上以实现对环境影响的稳健性。这个系统的时间重复状态的特征可以很容易地在频域中得到测量。因此，拟议的平台简化了对这种新物质阶段的研究。

在不需要低温的情况下，该系统可以被移到复杂的实验室之外进行现场应用。这种应用之一可能是对时间的高度精确测量。由于频率和时间是彼此的数学反数，所以测量频率的准确性能实现精确的时间测量。

Taheri说道：“我们希望这个光子系统能被用于具有卓越稳定性的紧凑型和轻型射频源以及用于精确计时。”