可制造钟表永远精确

在这个视野中的时空晶体(A)在时间和空间维度上显示出周期性结构，而处于超冷状态的离子在一维空间中连续自旋(B)，甚至在最低能级。根据物理学家组织的网站，想象一个钟可以永远保持精确的旅行时间，即使在宇宙达到热寂静之后。这就是所谓的“时空晶体”背后的含义，它是一种在时空中具有周期性结构的四维晶体。然而，构建时空晶体也有实际而重要的科学原因:有了这种四维晶体，科学家将有一种全新而更有效的手段来研究大量粒子的复杂物理性质和复杂相互作用行为，或者研究物理学中所谓的“多体问题”。这种时空晶体也可以用来研究量子世界，如量子纠缠。在这种状态下，当一个粒子被操纵时，另一个粒子将相应地改变，即使两个粒子相隔很远。然而，这种时空晶体只在理论物理学家的头脑中存在了很长一段时间，但是直到现在还没有真正的方法来制造它。由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员领导的一个国际科学家小组最近提出了一个时间晶体的实验设计方案，该方案基于电场离子阱和粒子之间的库仑排斥。伯克利实验室材料科学部的科学家张翔说:“离子阱的电场容纳带电粒子，库仑排斥力迫使它们自发形成空间环形晶体。在弱静磁场的作用下，这种环形离子晶体将开始无休止地旋转。”这种固定的离子将产生一个时间序列，允许时空晶体在最低量子态形成。“由于这种时空晶体已经处于最低量子能量状态，理论上它的时间序列将永远持续下去，即使宇宙达到最大熵，也就是‘热沉默’状态。”张翔是加州大学伯克利分校机械工程系的教授。他还负责该大学纳米科学与工程中心的工作。他是这部作品的通信作者。论文题目是“离子阱时空晶体”，发表在《物理评论快报》上。这种时间序列不连续的晶体概念是由诺贝尔奖获得者、麻省理工学院的物理学家弗兰克·威尔切克在今年年初提出的。韦泽克从数学上证明了时间晶体可以存在，但是没有办法真正制造它们。然而，张翔的研究团队自2011年9月以来一直致力于研究不同系统中的时间序列，现在他们已经提出了一个实验设计方案来生产具有时间和空间离散特性的晶体，即时空晶体。传统晶体是由原子或分子反复连接在一起的三维固体结构。更常见的情况是水冰、盐和雪花。结晶是当分子系统失去能量，直到达到较低能量状态的结果。在低能态的某一点，连续的空间对称性将被打破。此时，晶体显示出离散的对称性，这意味着结果不再在所有方向上对称，而只是在局部方向上对称。张翔的研究团队成员、博士后李同昌说:“在过去的几十年里，低维晶体材料的研究取得了重大进展，如二维石墨烯、一维碳纳米管和零维巴克球。超越传统三维晶体的晶体设计是物理学上的一个重要理论突破。我们很荣幸成为第一个提出如何实际生产时空晶体的研究团队。”正如在连续的空间对称对被打破后，三维晶体将以最低量子态的形式出现，当这种情况发生时，时空晶体的时间组成也将出现类似的反应。根据张翔、李同昌和团队中其他同事的设计，这个由被捕获离子组成的空间环的永久自旋将导致它在时间上周期性地自我复制，从而以普通空间晶体的形式形成原始时空晶体的时间模拟器。由于它在时间和空间上的周期性结构，我们得到了一个时空晶体。李同昌说:“时空晶体看起来像一台永动机，乍一看似乎不太可能。”他说:“你必须记住，即使是超导体，即使是普通的金属环，在适当的环境条件下，当它呈现量子基态时，也能支持连续的电子流。然而，当然，金属中的电子流缺乏空间序列，因此不能用来构建时空晶体。”李同昌很快指出，他们开发的时空晶体不是永动机，因为当它处于最低量子水平时，系统不输出能量。然而，在许多科学研究中，这种时空晶体将是极其宝贵的。李同昌说:“时空晶体本身就是一个多体问题。因此，它可以作为研究传统物理中多体问题的一种新方法。例如，时空晶体是如何出现的？对称性破缺的时间响应是什么？什么是时空晶体中的假粒子？时空晶体中的误差有什么影响？对这些问题的探索将极大地促进我们对自然的理解。”张鹏是该论文的合著者，也是张翔团队的一员。他指出，时空晶体可以用来存储和传输时空中不同自旋状态的量子信息。除了被捕获的离子，这种晶体还可能在其他物理系统中找到相似之处。他说:“这种相似性将有助于我们打开通向全新技术和设备的大门，这些技术和设备将有多种用途。”张翔相信，他们现在可以利用他们提出的方案和最好的离子阱技术来制造出真正的时空晶体。目前，他们的团队正积极寻求与在这一领域拥有适当专业设备和专业知识的相关组织合作。张翔说:“主要的挑战是如何将离子环冷却到基态。随着离子阱技术在未来几年的进一步发展，这一难题将得到解决。因为以前从未有过时空晶体，它的大部分性质我们都不知道，我们需要研究它。这些研究将加深我们对相变和对称性破缺的理解。”