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科学家称磁性氦可将超流体变为时间晶体
[发布日期:2018-07-11  点击次数:445]

据国外媒体报道,“时间晶体”的概念最初提出于2012年。2017年,科学家首次观察到现实中的离散时间晶体。我们熟悉的晶体均为“准晶体”形式,因此不久便发现了时间“准晶体”。而科学家如今找到了一种同时也是时间“超固体”的时间“准晶体”。听不懂没关系,毕竟作者自己也不是很明白。

  先来梳理一下这句话的成分,看看你能理解多少。

  晶体和准晶体

  晶体是指物质单位按一定周期在空间中不断重复排列成的结构,因此可以无空隙地填满空间。这些单位只能重复、不能旋转。由原子构成的方格可以填满整个空间。准晶体同样用重复的单位无间隙地填满空间,但这些单位可以旋转。准晶体的结构同样呈有序排列,但与我们熟悉的“有序”不同,在准晶体中,两块部分重叠的图案按照不同的间隔重复排列。最重要的是,其间隔之比并非整数。

  将空间换成时间

  在离散时间晶体中,重复排列的不是原子位置,而是某种行为。但可别把它想成来回摇晃的摆锤,这两者其实有所区别。假设我要将摆锤做成一个时间晶体。摆锤有天然的振荡频率。我可以按这一频率推动摆锤,让它开始摆动。也可以固有频率的一半推动它,摆锤照样能正常摆动。

  但我不能按固有频率的两倍推动摆锤,否则摆锤就无法正常运动。因为第一次推动让摆锤开始运动,第二次则刚好让摆锤停止运动。要想让摆锤有力振荡起来,摆锤的固有频率就必须为推动摆锤的频率的整数倍。

  在离散时间晶体中,我们推动“摆锤”振动的频率与其固有频率并不吻合。但其振动并不会因此停止,反而会按照既非固有频率、也不符合驱动频率的新频率来回振动。如果能造出这种物质,也许就得到了时间晶体。

  与普通准晶体类似,时间准晶体可同时出现两种不同的振动频率,就像一条绳子上同时出现两种振动波。但这些频率都不是驱动频率的整数倍。并且和普通准晶体一样,这两种频率之比也并非整数。

  稀奇古怪的性质

  研究人员使用冷却至绝对零度的氦-3(少一个中子的氦同位素)来观察时间晶体和时间准晶体。由于原子核中粒子数量为奇数,氦-3的磁矩很强。且氦原子磁矩均指向同一方向,构成了所谓“磁振子”。

  研究人员观察到了一种时间准晶体,由在空间中缓慢自旋的磁振子构成。这些磁振子由装有氦的容器产生的磁场、以及另外施加的射频场驱动。结果磁振子产生了两种振动频率,既非驱动场频率的整数倍,也不是彼此的整数倍。

  这一部分是因为驱动磁振子的射频场只能输入随机能量。而这样一来就更难理解了。就像一个婴儿在乱敲钢琴键,但你听到的不是乱七八糟的噪音,而是整整齐齐、不断重复的音阶。

  研究人员将射频场关闭之后,时间准晶体很快便分崩离析,系统进而形成了离散时间晶体。氦磁场可改变容器的形状,使氦原子在其中发生碰撞,系统的驱动频率正是来源于此。

  但这一过程无法一直持续下去。随着氦原子四处碰撞,有些氦原子会发生翻转、改变朝向。它们的磁场方向也会随之翻转,导致它们被抛离系统。久而久之,离散时间晶体便会逐渐销蚀不见。

  超固体时间晶体

  读到这里,是不是觉得这东西古怪极了?别急,它还能更古怪呢。氦-3在低温下会形成一种特殊的超流体,名叫拓补超流体。而氦形成的磁振子的自旋非零,这一性质必须保持不变。因此自旋在氦-3中的传输也呈现出超流体特性,就像“超流体中的超流体”。

  这种磁振子也属于时间晶体。如果我们将晶体视为一种时间固体,那么这种时间晶体必为超固体。

什么是超固体?其实就是没有摩擦力的固体。两块超固体从彼此表面擦过时,不会损失任何能量。现实中是否存在超固体仍是个争议话题,相关证据也模棱两可。将超固体等同于时间晶体似乎还为时过早。

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