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自发对称性破缺是近代物理学最重要的概念之一，它可以描述各种丰富的量子物态形成的机制。作为人们熟知的一个例子，空间平移对称性的自发破缺会使得物质中的原子在空间上形成有序的周期分布，从而导致了晶体的产生。由于空间和时间的等价性，一个自然的问题就是相互作用能否导致时间平移对称性的自发破缺，并在时间维度上结晶。2012年，诺贝尔奖物理学奖得主弗朗克·维尔切克(frank wilczek)首次预言了“时间晶体”的存在。处于“时间晶体”相的物理系统会随着时间不断地自我重复，呈现持续的周期性振荡行为。自此，关于“时间晶体”的讨论一直是量子多体物理的热点问题。然而，众多的理论分析指出，由于量子涨落，连续“时间晶体”相很难稳定地存在于处于平衡态的系统中。
图1.(a)实验装置实拍图。该装置中原子气体处于室温，不需要额外制冷。(b)实验装置示意图。对向入射的耦合光(coupling)与探测光(probe)会将基态原子激发到里德堡态并对探测光形成电磁诱导透明(eit)。另一束参考光(reference)用于差分测量。(c)典型的时间晶体振荡信号
近期，清华大学物理系尤力教授研究组在“时间晶体”研究中取得突破性进展，他们首次在强相互作用的室温里德堡气体(图1)中观测到了持续且稳定的时间晶体信号，其振荡幅度在实验观测时间内没有发现任何衰减。不同于传统的有限温体系，研究所构建的系统是一种非平衡态系统，其中里德堡原子间的长程相互作用，相干的外场驱动，以及原子的自发辐射等耗散之间的协同作用是“时间晶体”得以稳定存在的关键。这种特殊的“时间晶体”也被称为“耗散时间晶体”。
图2.长程时间序的建立。(a)系统的单次淬火动力学信号。(b)不同时间段振荡信号的傅立叶变换。(c)傅立叶变换的峰值频率随着时间演化逐渐稳定。(d)不同时间段系统的自关联函数
在此基础上，团队成员测量了系统的淬火动力学，发现在经过一个短暂的弛豫过程后系统才在时间维度上建立起真正的长程序(true long-range order)，形成稳定的(时间)晶格结构(图2)。同时，研究团队发现观测到的振荡信号对外界噪声具有很好的抗干扰性，即使人为地添加很强的噪声，“时间晶体”相也不会完全被破坏。进一步，研究团队与(前)奥胡斯大学的杨帆博士和托马斯·波尔(thomas pohl)教授展开理论合作，揭示了该系统中形成“时间晶体”的另一关键机制：多种里德堡组分之间的相互竞争，并进行了实验验证。
相关研究成果以“强相互作用的里德堡气体中的耗散时间晶体”(dissipative time crystal in a strongly interacting rydberg gas)为题，于7月2日发表于《自然·物理》(nature physics)杂志。
清华大学物理系2017级博士生吴晓凌、2021级博士生王竺卿、2015级博士生杨帆(现为奥地利因斯布鲁克大学博士后研究员)为论文的共同第一作者。北京量子信息科学研究院助理研究员李相良、奥地利维也纳工业大学教授托马斯·波尔(thomas pohl)和尤力为论文的通讯作者。合作者还包括清华大学物理系2022级博士生高若晨、2018级博士生梁超、副教授郑盟锟。研究得到国家自然科学基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院和合肥国家实验室的资助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02542-9
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