科學人／「時間」也能形成晶體結構？ 科學家盼可運用於量子電腦發展

華盛頓大學的物理學家將微波雷射照射到一顆鑽石上，創造了時間準晶體，這是一種可以在時間和空間中重複精確模式的物質新相態。圖／Chong Zu laboratory, Washington University in St. Louis

我們日常接觸到的物質，大致可以歸類爲固體、液體、氣體三種狀態，一些極端條件下的物質還能變成等離子態。然而，你有沒有想過，「時間」本身也能影響物質的狀態，甚至形成一種新的晶體結構？

科學家已經證實，除了我們熟悉的物質相之外，還存在一種顛覆性的新型態——「時間晶體」（Time Crystal）。最近，華盛頓大學的物理學家成功創造出這種神秘的物質，甚至進一步發展出更爲複雜的「時間準晶體」（Time Quasicrystal），這項突破發表於《物理評論 X》（Physical Review X）

什麼是時間晶體？顛覆物質理解的革命性發現

當我們提到「晶體」，通常會想到像鹽、鑽石或雪花這樣擁有規則結構的固體。這些物質之所以能夠形成晶體，是因爲它們的原子會在空間內按照某種固定模式排列，產生對稱性與穩定性。然而，時間晶體則完全不同——它們的規律排列不是發生在空間中，而是在時間維度上形成重複的振盪模式。

根據熱力學第二定律，任何系統應該會隨時間逐漸失去能量，最終進入平衡狀態。但時間晶體似乎違背了這一定律，它們能夠保持自身的運動模式，理論上可以無限地持續運動。實際上，它們的持續運動並不是違反熱力學第二定律，而是源自於獨特的量子特性，目前製造的時間晶體非常脆弱，容易受到環境的影響，只能維持數百個週期就會分解。

時間準晶體：比時間晶體更奇妙的量子韻律

「時間晶體」的概念最早由物理學家弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）在 2012 年提出，當時這仍只是一個理論假設。2016年，哈佛大學和馬里蘭大學的研究團隊首次在實驗室中製造出時間晶體，證明了這一奇特物質相的可能性。而如今，華盛頓大學的物理學家更進一步，創造出更復雜的「時間準晶體」。

在材料科學中，準晶體是一種高度有序的物質，原子排列在各個維度上並不遵循完全相同的重複模式。同樣的，時間準晶體的不同「時間維度」以不同的頻率振動。這種振動模式是精確且高度有序的，但更像是多個音符組成的和絃，而不是單一的音調。華盛頓大學的研究團隊認爲他們是第一個創造出真正的時間準晶體的團隊。

在鑽石中創造時間準晶體

研究團隊在一小塊毫米級的鑽石中製造出時間準晶體。他們首先用氮原子束轟擊鑽石，將碳原子撞出，留下原子大小的空位。電子會移動到這些空位中，並與周圍的電子產生量子層級的相互作用。研究團隊利用類似的方法來製造量子鑽石顯微鏡。

這些時間準晶體由超過一百萬個鑽石中的空位組成，每個準晶體約一微米大小，肉眼無法看見。研究人員使用微波脈衝來啓動時間準晶體中的節奏，與製造傳統時間晶體不同的是，研究團隊在微波脈衝中加入多種不同頻率的調控，使得電子在時間上形成非循環但高度有序的振盪模式，成功實現時間準晶體。

時間準晶體如何改變世界？

時間晶體和時間準晶體的實驗實現爲量子力學中關於對稱性、量子態演化、物質相以及潛在的量子相干性等基本理論提供了實驗驗證。

由於時間晶體對磁力等量子力非常敏感，可以應用在無需充電的長效量子感測器。它們在時間維度重複出現的特性，也爲精確計時提供了一種新途徑，相較於容易漂移且需要校準的石英晶體振盪器，時間晶體可以以極小的能量損失維持一致的「滴答」。

時間準晶體感測器甚至可能同時測量多個頻率，從而更全面地瞭解量子材料的壽命。此外，由於時間晶體在理論上可以永遠「滴答」而不損失能量，因此人們對將其用於量子電腦中的潛力非常感興趣，它們可能能夠長時間儲存量子記憶體，就像量子版本的隨機存取記憶體一樣。

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（本文出自2025.03.19《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）