【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科大中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室丁冬生課題組在里德堡原子周期性驅(qū)動耗散系統(tǒng)的研究中取得重要進(jìn)展。該課題組在里德堡原子驅(qū)動耗散系統(tǒng)中觀察到了高階和分?jǐn)?shù)離散時間晶體。相關(guān)成果11月10日以“Higher-order and fractional discrete time crystals in Floquet-driven Rydberg atoms”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。
 

　　自發(fā)對稱性破缺是解釋物質(zhì)相變的重要機(jī)制，比如空間上的平移對稱性的自發(fā)破缺，使得物體形成了空間上的有序結(jié)構(gòu)，也就是空間晶體。同樣，研究人員提出時間上是否能發(fā)生類似的對稱性自發(fā)破缺，從而形成時間晶體。最初，這個概念由諾貝爾物理學(xué)獎獲得者FrankWilczek教授提出，它描述物質(zhì)的時間和空間上的特征周期性地復(fù)現(xiàn)。研究人員在實(shí)驗(yàn)和理論上都對此進(jìn)行了大量研究，在理論上提出了離散時間晶體(DTC)的概念并且在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中觀測到了離散時間晶體的存在。離散時間晶體，就是滿足時間上離散平移對稱性的自發(fā)破缺，表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)周期是驅(qū)動周期的整數(shù)倍，如圖1所示：
 

　　圖 1 物理示意圖，(a)為包含兩個里德堡態(tài)的系統(tǒng)能級圖，(b)為驅(qū)動耗散的系統(tǒng)示意圖，(c)為系統(tǒng)在周期為T的射頻驅(qū)動下的響應(yīng)。對于一般的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)響應(yīng)的周期往往和驅(qū)動周期保持一致，但是當(dāng)系統(tǒng)處于離散時間晶體相時，系統(tǒng)的響應(yīng)周期表現(xiàn)為驅(qū)動周期的整數(shù)倍，如圖中的2-DTC，3-DTC。
 

　　有趣的是，當(dāng)物理系統(tǒng)遠(yuǎn)離熱平衡狀態(tài)時，人們可以觀察到穩(wěn)定的耗散時間晶體、預(yù)熱離散時間晶體等奇異的物態(tài)現(xiàn)象。強(qiáng)相互作用的里德堡原子系統(tǒng)是研究非平衡動力學(xué)的理想平臺之一。丁冬生、劉邦等人通過在周期性驅(qū)動的里德堡原子系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，觀察到了強(qiáng)相互作用里德堡原子氣體中的高階以及分?jǐn)?shù)離散時間晶體。在實(shí)驗(yàn)上得到了不同離散時間晶體的相圖，觀察到了整數(shù)階離散時間晶體的相變過程，如圖2所示。同時通過掃描系統(tǒng)參數(shù)，觀察到了分?jǐn)?shù)時間晶體存在的證據(jù)，如圖3所示。對于這些現(xiàn)象的研究將有助于我們加深對時間晶體這種特殊物質(zhì)狀態(tài)的理解，為探究量子系統(tǒng)的非平衡動力學(xué)提供一個平臺。
 

　　圖2 2-DTC和3-DTC以及之間的相變，(a)2-DTC和3-DTC的相圖，(b-e)2-DTC到3-DTC之間的相變過程。
 

　　圖3分?jǐn)?shù)離散時間晶體，(a-c)分?jǐn)?shù)離散時間晶體的相圖，(d-f)分?jǐn)?shù)離散時間晶體的傅里葉頻譜。
 

　　該工作得到了審稿人的高度評價(jià)：他們觀察到離散時間晶體證明了超越單一離散時間平移對稱性破缺的能力，為熱原子氣體簡單的平臺中的非平衡動力學(xué)提供了新的見解。量子多體系統(tǒng)中更復(fù)雜的時間對稱性的存在擴(kuò)展我們在該領(lǐng)域的知識，并為非平衡物理學(xué)的新探索鋪平道路。(“They observe the breaking of discrete time translation symmetry into higher-order and non-integer categories, which demonstrates the ability for complex temporal symmetries beyond single discrete time translation and offers new insights into non-equilibrium dynamics in a simple platform of thermal atomic gas. The potential existence of more intricate temporal symmetries in quantum many-body systems is highlighted, which could significantly expand our knowledge in the field and pave the way for new explorations into non-equilibrium physics.”)
 

　　中國科大博士研究生劉邦為本文的第一作者，丁冬生教授為本文的獨(dú)立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院、安徽省重大科技專項(xiàng)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。