被称为时间晶体的结构，在时间上重复传统晶体在空间中重复的方式，吸引了跨学科研究人员的兴趣和想象力。这个概念是从量子多体系统背景中产生的，但苏黎世联邦理工学院物理学家现在已经开发出一个多功能的框架，阐明了与近两个世纪以来经典著作之间的联系，从而提供了一个统一的平台来探索看似不同现象。在晶体中，原子是高度有序的，占据了形成空间图案的明确位置。
七年前，2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔塞克(Frank Wilczek)思考了晶体空间秩序时间模拟的可能性：在其最低能量状态下显示持续周期性时间调制的系统。这种具有振荡基态的结构的概念非常耐人寻味。在这个想法发表后不久，事实证明，如果不打破物理学的基本定律，这样的时间晶体是不可能的。然而，后面的理论研究表明，当量子多体系统被周期性驱动时，新的持续时间关联出现，这些关联唤起了Wilczek的时间晶体。
时间晶体不那么短暂的历史
这些驱动系统被称为离散时间晶体，2017年，这些状态的第一次实验实现被报告在显示量子力学属性耦合粒子(离子，电子和核)的集合中。不久，敏锐的观察者发现量子系统中离散时间晶体和所谓参数谐振器之间有明显的相似之处。这是经典物理学中的一个概念，可以追溯到迈克尔·法拉第在1831年的研究。然而，这两个研究直接的联系仍然不透明。现在，理论家们已经开发了一个新框架，但在消除周期性驱动的经典系统和量子系统之间相似之处的模糊性方面有很长的路要走。
在表在《物理评论快报》上的新研究中，苏黎世联邦理工学院物理系的博士生Toni Heugel和同一机构的学生Matthias Oscity与理论物理研究所的Ramasubramanian Chitra博士和Oded Zilberberg教授以及固态物理实验室的Alexander Eichler博士合作：研究了报告理论和实验工作，确定如何产生离散时间晶体，一方面，不需要量子力学效应，另一方面，显示真正的多体效应，这是量子系统中离散时间晶体的特征。在量子多体系统中，经典参数谐振器和实验实现的离散时间晶体之间有一个明显相似之处：两者都在驱动频率频率上显示出动力学。
在离散时间晶体的背景下，这种次谐波频率振荡的出现打破了被驱动系统的时间周期性，提供了对晶体空间顺序的“时间模拟”，其中空间的对称性被打破。在经典参数驱动系统中，次谐频率以更熟悉的方式出现：例如，秋千上的孩子以两倍于所产生振动的频率改变重心。但是，这些不同的现象彼此之间有什么关系吗？是的，苏黎世联邦理工学院物理学家说：特别是，精确地指出了经典系统中出现多体方面的位置。为此，考虑了具有可调耦合的经典非线性振荡器。
众所周知，对于某些驱动频率和强度，参数振荡器变得不稳定，然后经历所谓的倍周期分岔，超过该分岔时，参数振荡器以其驱动频率的一半振荡。研究人员探索了当几个这样的振荡器耦合在一起时会发生什么。在计算以及使用两个之间具有可变耦合的字符串的实验中，发现了两个不同的区域。当耦合很强时，两弦系统集体运动，本质上再现了孩子在秋千上的动作。然而，在字符串之间弱耦合的情况下，每个字符串的动力学与非耦合系统所显示的动力学相似。
因此，耦合振荡器不是整体分叉，而是在驱动器的略微不同的参数下单独分叉，导致更丰富的整体动力学，随着系统变得更大，其变得越来越复杂。研究人员认为，这种弱耦合模式类似于量子多体系统中出现的模式，这意味着该框架可能解释在这些系统中通过实验观察到的行为。此外，新研究确定了产生经典多体时间晶体的一般条件，这些最终可以用来解释和探索量子对应物的特征。
博科园｜研究/来自：苏黎世联邦理工学院
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.124301
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