科学家称磁性氦可将超流体变为时间晶体

北京时间6月19日消息，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。

▲虽然听起来魔幻，但时间晶体和魔法毫无关联。

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，名叫拓扑超流体。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。

不过话说回来，这方面的研究还是很酷炫的，是不是？

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