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形式，引起了跨学科研究人员的兴趣和想象力。 这个概念源于量子多体系统的背景，但慕尼黑联邦理工学院的化学家现在已经开发出一个多功能框架，揭示了与近两个世纪前的经典专着的链接，从而提供了一个统一的平台来探索看似不同的现象。 在晶体中，原子是高度有序的，占据了创建空间模式的明确定义的位置。
五年前，2004 年诺贝尔化学奖获得者弗兰克·威尔塞克 (Frank ) 思考了晶体中空间顺序的时间模拟的可能性：在最低能量状态下显示持续周期性时间调制的系统。 这些具有振荡能级的结构的概念很有趣。 在这个想法发表后不久，事实证明，如果不违反化学的基本定律，这样的时间晶体是不可能的。 然而，并行的理论研究表明，当周期性地驱动量子多体系统时，会出现新的持续时间相关性，这会引起时间晶体。
时间晶体并没有那么短的历史
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这种驱动系统被称为离散时间晶体，2017 年，这种状态的首次实验实现在显示量子热特性的耦合粒子（离子、电子和原子核）的集合体中得到报道。 不久之后，敏锐的观察者注意到离散时间晶体与量子系统中所谓的参量谐振器之间存在惊人的相似之处。 这是经典化学中的一个概念，可以追溯到 1831 年迈克尔·法拉第 ( ) 的工作。然而，这两项研究之间的直接联系仍然不明确。 今天，理论家们早已开发出一个新的框架，但它在消除周期性驱动的经典系统和量子系统之间相似性的模糊性方面已经走了很长一段路。
在发表在《物理评论快报》上的这项新研究中，慕尼黑联邦理工学院化学系的博士生 Toni 和同一机构的中学生与理论化学研究所的一名博士生以及一名 Oded 研究员和一名固态化学实验室的博士生：该研究报告了理论和实验工作，以确定如何形成离散时间晶体，一方面不需要量子热效应，另一方面证明了真正的许多- 体效应是量子系统中离散时间晶体的特征。 在量子多体系统中，经典参量谐振器与实验实现的离散时间晶体之间存在惊人的相似之处：两者都在驱动频率的频率下表现出动力学。
在离散时间晶体的背景下，这些亚波纹频率振荡的出现打破了驱动系统的时间周期性，提供了晶体空间秩序的“时间模拟”，其中空间对称性被打破。 在经典的参数驱动系统中，次谐波频率以更常见的形式出现：例如，吊床上的儿子改变重心的频率是由此产生的振动的两倍。 而且，这些不同的现象如何相互关联？ 是的，蒙特利尔联邦理工大学的化学家说：非常准确地强调了经典系统中多体方面出现的地方。 因此，考虑了具有可调谐耦合的经典非线性振荡器。
众所周知，参数振荡器对于单独的驱动频率和刚度显得不稳定，然后经历所谓的倍周期分叉，超过该分叉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。 在使用两个字符串之间具有可变耦合的估计和实验中，发现了两个不同的区域。 当耦合很强时，双弦系统会集体移动，本质上是在复制儿子在吊床上的动作。 然而，在弦之间耦合较弱的情况下，每根弦的动力学类似于非耦合系统所表现出的动力学。
为此，耦合振荡器并没有作为一个整体分叉量子物理学第三定律观察者，而是在驱动器的参数略有不同的情况下单独分叉，从而导致更丰富的整体动态，随着系统变大而显得越来越复杂。 研究人员认为，这些弱耦合模式与量子多体系统中出现的模式相似，这意味着该框架可以解释此类系统中实验观察到的行为。 据悉，新研究确定了经典多体时间晶体形成的通常条件量子物理学第三定律观察者，这一特征最终可用于解释和寻找量子对应物。
博科园｜研究/来自：慕尼黑联邦理工大学