在許多方面，科學家很像偵探，透過篩選證據尋找線索般的模式來解開謎團。例如，任何晶體，無論是食鹽顆粒還是鑽石項鍊，都只是一堆以重複模式排列的原子。偵探只需瞥見晶體中少數有規律排列的原子，就可以推測出所有其他原子應該在哪裡。
但是，如果這種模式是跨越時間而不是空間分佈的，模式的組成部分透過“何時”而不是“何地”相關聯，那又會怎樣呢？這種反直覺的概念是“時間晶體”的基礎，時間晶體是一種量子系統，表現出類似晶體的可預測重複行為。麻省理工學院物理學家、諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾切克 (Frank Wilczek) 於 2012 年首次提出了它們存在的理論。經過多年的艱苦工作，實驗人員直到 2021 年才成功地將時間晶體工程化為現實。現在，加州大學河濱分校的工程師侯賽因·塔赫裡 (Hossein Taheri) 領導的一個物理學家團隊透過用光製造時間晶體取得了另一項進展。他們發表在二月份的《自然·通訊》上的這項工作，可能有助於時間晶體從脆弱的實驗性奇觀轉變為更強大的實用裝置元件。
雖然時間晶體的行為隨時間重複，但它不能被視為簡單的時鐘。具體來說，時鐘需要外部能量才能持續運轉，但對於時間晶體來說，“滴答”聲是其最自然、最穩定的狀態。這與物理學家對熱力學平衡的理解相反，在熱力學平衡中，能量流入系統只是為了不可避免地消散：想象一下一壺水被燒開，然後恢復到室溫。從這個意義上說，時間晶體更像是一壺總是以完全相同的方式沸騰並且永不冷卻的水。根據某些定義，它們因此代表了一種新的、獨特的狀態，其特點是堅定不移地保持非平衡狀態。作為這種固有的節拍器，時間晶體可能是精密計時或量子資訊處理的未來重要資產。
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“時間晶體已經從一個由高度理論的考慮驅動的概念想法，轉變為人們試圖用於技術的東西，”未參與這項新工作的維爾切克說。但研究人員不得不在尋求將時間晶體從實驗室帶入現實世界應用領域的過程中，遵循漫長而棘手的道路。通常，需要令人望而生畏的實驗裝置或強大的量子計算機的獨特審查，才能辨別任何給定的裝置是否構成時間晶體。
該團隊的突破可以說是使用了一種相對簡單的方法，該方法的核心是將雙雷射束匯入毫米寬的圓盤形晶體腔中。在腔內，兩束光束反覆地從其側壁反射並在此過程中碰撞。至關重要的是，研究人員選擇了一種特定的腔體設計，並精確控制了雷射束的特性，從而使反射光束產生了奇特的模式，而這些模式永遠不可能從例如普通家用燈泡發出的光中產生。在其晶體“蹦床”中，雷射束變成了一連串的“塊狀物”，每個“塊狀物”更像是一個永不改變形狀的單個波峰，而不是受擾動湖面上的寬闊漣漪。這些所謂的孤波或孤子以可預測的週期性出現並形成佇列，完美地合拍行進，從而構建了一個時間晶體。物理學家透過仔細研究從腔體中洩漏出來的光來捕捉到這種“結晶”。
塔赫裡解釋說，如果某個微小的你站在腔體的出口處，手持一個光探測器，最初你會檢測到與雷射器的特性相關的出射光強度週期性變化。然而，最終，一種光強度模式會自發地出現，其週期性與孤子在腔體中行進所設定的週期性截然不同。這有點像在電視上看電影，電影突然開始快進播放，其特定的幀速率由顯示器內部的某些隱藏機制而不是您控制的任何設定來設定。“現在我們看到[光]波的一些特徵是週期性的，但它們的週期實際上是雷射器[在光上]印記的週期性的兩倍或三倍或其他整數倍，”塔赫裡說。這種增加揭示了一個量子系統，該系統現在自然地保持了自己的時間——換句話說，一個基於光的時間晶體。
美國宇航局噴氣推進實驗室的物理學家、該研究的合著者安德烈·馬茨科 (Andrey Matsko) 將其比作透過將細繩懸掛在鹽液中來生長鹽晶體。“調整我們的雷射器就像控制您放入[鹽]溶液中的線的結構，”他說。在任何一種情況下，雷射器或細繩都有助於晶體的形成，但它們的週期性、它們的模式完全是它們自己的。
過去的研究利用不同的構建模組來工程化時間晶體，但新實驗中使用光被證明具有實際優勢。重要的是，該團隊的時間晶體在相對正常的條件下執行。大多數物質的量子相僅在低溫或其他極端條件下才顯示出其特殊性質，而當它們暴露於實驗室外的世界時，就會恢復為非常普通的狀態。“從我的角度來看，這項實驗很重要，因為它在[相對]高溫下工作，”牛津大學的物理學家貝里斯拉夫·布卡 (Berislav Buca) 說，他沒有參與這項研究。“這使得它更接近我們在周圍現實世界中看到的複雜過程。”
新的時間晶體也被證明出奇地能夠抵抗現實世界中臭名昭著的混亂。根據塔赫裡的說法，系統的能量隨機損失以及其侵入的噪聲（有點像你的電視機發熱並在觀看電影的類比中顯示靜電）實際上提高了它的穩定性。通常，“當這兩個要素都存在時，它們會試圖破壞結晶性，”他說。為了避免這種外部擾動，時間晶體通常必須與其環境嚴格隔離。“但我們的系統在這些相互作用的參與者之間取得了平衡，”塔赫裡說。英格蘭諾丁漢大學的物理學家伊戈爾·萊薩諾夫斯基 (Igor Lesanovsky) 也未參與該實驗，他同意在不將其與周圍環境隔絕的情況下保持時間晶體工作可能很棘手。“你真的需要在不同效應之間達成‘共謀’，”他說。
由於耗散和噪聲共同作用以相互制約有害影響，因此新的光基時間晶體是未來整合到實用裝置中的有希望的候選者。光子技術公司 OEwaves 的執行長兼該研究的合著者盧特·馬雷基 (Lute Maleki) 指出，製造它也需要相對較少的元件。“這真的是一個簡單的[裝置]架構，”他強調說。“許多[研究]小組都應該可以接觸到它。” 馬雷基希望未來的研究將把這種簡單而有彈性的設計推向基礎物理研究和精密計時等應用努力的中心。
作為一種計時裝置，光基時間晶體可能略遜於最先進的原子鐘的精度。但其穩定性和樸實的元件可能使其非常適合整合到例如通訊或計算裝置中，這些裝置需要非常精確的計時，同時也要足夠堅固以在實驗室精心控制的條件之外執行。此外，一些常見的電子製造技術可能會使時間晶體在晶片上的實現成為可能，從而更容易將該系統新增到現有的消費電子產品中。
此外，波蘭雅蓋隆大學的物理學家、該研究的合著者剋日什托夫·薩查 (Krzysztof Sacha) 說，物理學家可以像研究更傳統的空間晶體幾十年那樣研究非常大的時間晶體。在這裡，物理學家可以交換空間和時間來研究用某些缺陷工程化或沐浴在過量能量中的時間晶體是否會表現出意想不到的行為。這種行為通常在小晶體中更難檢測到，因此製造其大型光基系統的能力有可能使該團隊進入一個全新的領域。“我認為這真的開啟了一個新的[物理研究]視野，”薩查強調說。威爾切克表示同意。“這是一個全新的物質狀態類別，”他說。“我很可能認為，當您檢查它們時，有用的裝置和其他驚喜將會出現。這是一片處女地；我們正在這裡發現一個新世界。”