物理学家观测到一种新的时间相：“回旋曲”时间晶体

物理学家观测到一种新的时间相：“回旋曲”时间晶体

摘要

研究人员报道了一种被他们命名为“回旋曲”（rondeau）晶体的时间相的实验实现。该系统在每个驱动周期采样一次时表现出稳定、可重复的模式，同时允许在这些采样点之间存在刻意变化的、短暂的无序。该实验使用了钻石中的碳-13核自旋，并利用工程化微波脉冲序列来稳定节奏。

什么是时间晶体？

时间晶体是一种非平衡相，在这种相位中，受驱动的多体系统表现出持久的时间序，从而打破了驱动的时间平移对称性。在这种情况下，“回旋曲”晶体将长寿命的周期循环重复与受控的周期内变化结合在一起。

实验平台与方法

该实验使用了一个钻石量子模拟器平台，其中包含与天然存在的碳-13核自旋耦合的氮-空位（NV）缺陷。通过应用光学和微波控制来使碳-13系综超极化，并以高保真度读取集体自旋动力学。

研究人员使用任意波形发生器控制微波脉冲的时间和形状，编程了工程化的驱动序列——包括严格周期性的、准周期性的以及故意随机化的周期内结构。通过测量跨越多个驱动周期的集体自旋响应，团队识别出了长寿命的频闪序（stroboscopic order），尽管在单个周期内存在噪声微运动（micromotion）。

关键观测结果

• 当每个驱动周期观察一次时，集体自旋构型以高保真度重复，证明了频闪序。
• 在频闪测量下，每个周期内引入的无序并未破坏长期的重复模式。
• 在某些运行中，频闪寿命超过了四秒，对应于超过一百个驱动周期的观察，从而能够对动力学进行频谱分析。

意义与潜在应用

局限性与未来方向

此次演示是原理验证而非成熟技术。它依赖于精细的超极化、低噪声微波控制和精确的读取。尽管对于多体室温固态系综而言其相干时间较长，但与工程化的量子比特存储器相比仍然较短。未来的工作可以研究其他宿主材料、替代自旋种类以及改进的控制电子设备，以延长寿命并提高灵敏度。

更广泛的影响

从概念上讲，“回旋曲”晶体说明了时间对称性破缺可以支持分层结构：粗时间尺度上的稳定序与精细尺度上的刻意无序共存。这反映了空间材料中的现象，即某些自由度是有序的而另一些是无序的，并为在受驱动量子系统中组织信息和相干行为提供了新方法。

展望

“回旋曲”时间晶体的观测为研究非平衡相和开发利用时间结构的控制技术提供了一个新平台。将这些发现转化为实用的传感或信息处理工具，将需要进一步改进材料和控制技术，以实现更长的相干时间和更强的稳健性。