被稱為時間晶體的結構，在時間上重復傳統晶體在空間中重復的方式，吸引了跨學科研究人員的興趣和想象力。這個概念是從量子多體系統背景中產生的，但蘇黎世聯邦理工學院物理學家現在已經開發出一個多功能的框架，闡明了與近兩個世紀以來經典著作之間的聯系，從而提供了一個統一的平臺來探索看似不同現象。在晶體中，原子是高度有序的，占據了形成空間圖案的明確位置。

2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·威爾塞克(Frank Wilczek)思考了晶體空間秩序時間模擬的可能性：在其最低能量狀態下顯示持續周期性時間調制的系統。這種具有振蕩基態的結構的概念非常耐人尋味。在這個想法發表后不久，事實證明，如果不打破物理學的基本定律，這樣的時間晶體是不可能的。然而，后面的理論研究表明，當量子多體系統被周期性驅動時，新的持續時間關聯出現，這些關聯喚起了Wilczek的時間晶體。

時間晶體不那么短暫的歷史

這些驅動系統被稱為離散時間晶體，2017年，這些狀態的第一次實驗實現被報告在顯示量子力學屬性耦合粒子(離子，電子和核)的集合中。不久，敏銳的觀察者發現量子系統中離散時間晶體和所謂參數諧振器之間有明顯的相似之處。這是經典物理學中的一個概念，可以追溯到邁克爾·法拉第在1831年的研究。然而，這兩個研究直接的聯系仍然不透明。現在，理論家們已經開發了一個新框架，但在消除周期性驅動的經典系統和量子系統之間相似之處的模糊性方面有很長的路要走。

發表在《物理評論快報》上的新研究中，蘇黎世聯邦理工學院物理系的博士生Toni Heugel和同一機構的學生Matthias Oscity與理論物理研究所的Ramasubramanian Chitra博士和Oded Zilberberg教授以及固態物理實驗室的Alexander Eichler博士合作：研究了報告理論和實驗工作，確定如何產生離散時間晶體，一方面，不需要量子力學效應，另一方面，顯示真正的多體效應，這是量子系統中離散時間晶體的特征。在量子多體系統中，經典參數諧振器和實驗實現的離散時間晶體之間有一個明顯相似之處：兩者都在驅動頻率頻率上顯示出動力學。

在離散時間晶體的背景下，這種次諧波頻率振蕩的出現打破了被驅動系統的時間周期性，提供了對晶體空間順序的“時間模擬”，其中空間的對稱性被打破。在經典參數驅動系統中，次諧頻率以更熟悉的方式出現：例如，秋千上的孩子以兩倍于所產生振動的頻率改變重心。但是，這些不同的現象彼此之間有什么關系嗎？是的，蘇黎世聯邦理工學院物理學家說：特別是，精確地指出了經典系統中出現多體方面的位置。為此，考慮了具有可調耦合的經典非線性振蕩器。

眾所周知，對于某些驅動頻率和強度，參數振蕩器變得不穩定，然后經歷所謂的倍周期分岔，超過該分岔時，參數振蕩器以其驅動頻率的一半振蕩。研究人員探索了當幾個這樣的振蕩器耦合在一起時會發生什么。在計算以及使用兩個之間具有可變耦合的字符串的實驗中，發現了兩個不同的區域。當耦合很強時，兩弦系統集體運動，本質上再現了孩子在秋千上的動作。然而，在字符串之間弱耦合的情況下，每個字符串的動力學與非耦合系統所顯示的動力學相似。

因此，耦合振蕩器不是整體分叉，而是在驅動器的略微不同的參數下單獨分叉，導致更豐富的整體動力學，隨著系統變得更大，其變得越來越復雜。研究人員認為，這種弱耦合模式類似于量子多體系統中出現的模式，這意味著該框架可能解釋在這些系統中通過實驗觀察到的行為。此外，新研究確定了產生經典多體時間晶體的一般條件，這些最終可以用來解釋和探索量子對應物的特征。

研究來自：蘇黎世聯邦理工學院

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.124301