突破！科學(xué)家造出時(shí)間晶體，并與外部世界成功聯(lián)系

2012年的時(shí)候，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克提出了一個(gè)顛覆的概念：我們熟悉的水晶、鉆石這類(lèi)常規(guī)晶體，是原子在空間里按固定規(guī)律重復(fù)排列，自發(fā)打破了空間平移對(duì)稱(chēng)性；那有沒(méi)有一種量子系統(tǒng)，能自發(fā)打破時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性呢？

簡(jiǎn)單說(shuō)，就是不用外界持續(xù)輸入能量，就能在時(shí)間維度上穩(wěn)定地、周期性地保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種在時(shí)間維度上形成的固定有序排列結(jié)構(gòu)，就是時(shí)間晶體。

這個(gè)概念剛被提出時(shí)引發(fā)了很大的爭(zhēng)議，因?yàn)樗奶匦院陀绖?dòng)機(jī)的概念極為接近。

但根據(jù)量子力學(xué)的禁戒定理，自發(fā)打破連續(xù)時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性的系統(tǒng)必然處于非平衡態(tài)，它并非永恒運(yùn)動(dòng)，也完全不違反熱力學(xué)定律。

2017年時(shí)，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里首次造出了離散時(shí)間晶體，相關(guān)成果正式發(fā)表于《自然》期刊。

不過(guò)過(guò)去十幾年里，所有時(shí)間晶體實(shí)驗(yàn)都有一個(gè)致命局限：它們始終在與環(huán)境完全隔離的條件下實(shí)現(xiàn)，過(guò)往研究?jī)H實(shí)現(xiàn)過(guò)兩個(gè)時(shí)間晶體之間的相互耦合，從未與環(huán)境中非時(shí)間晶體的外部機(jī)械、光學(xué)等自由度實(shí)現(xiàn)可控耦合。

量子系統(tǒng)太過(guò)脆弱，一旦失去隔離環(huán)境就極易退相干，時(shí)間晶體的周期運(yùn)動(dòng)會(huì)瞬間崩塌。

別說(shuō)把它接到外部設(shè)備上應(yīng)用了，就連精準(zhǔn)調(diào)控都難以實(shí)現(xiàn)。

而2025年10月發(fā)表在《自然·通訊》上的一項(xiàng)研究，徹底打破了這個(gè)僵局。

來(lái)自芬蘭阿爾托大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，首次將一個(gè)連續(xù)時(shí)間晶體與外部機(jī)械振子成功實(shí)現(xiàn)可控耦合，他們還把這套系統(tǒng)打造成了和激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）核心技術(shù)同源的腔光力學(xué)類(lèi)平臺(tái)，給時(shí)間晶體真正走出實(shí)驗(yàn)室、變成實(shí)用量子工具，鋪出了第一條路。

這里需要先明確一個(gè)核心分類(lèi)：時(shí)間晶體分為兩類(lèi)，打破離散時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性的是離散時(shí)間晶體，而這項(xiàng)研究中用到的連續(xù)時(shí)間晶體，打破的是連續(xù)時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性，也是最接近維爾切克最初提出的時(shí)間晶體構(gòu)想的類(lèi)型。

這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心是冷卻到130微開(kāi)（僅比絕對(duì)零度高0.00013開(kāi)）的氦-3。在這種極端低溫下，氦-3會(huì)變成沒(méi)有任何粘滯阻力的完美液體，也就是超流體。

研究人員用一個(gè)約1毫秒的射頻脈沖，往超流體里注入了大量非平衡磁振子，這是一種磁性準(zhǔn)粒子，本質(zhì)是大量自旋的集體同步運(yùn)動(dòng)，就像無(wú)數(shù)個(gè)微觀小指南針綁在一起同步轉(zhuǎn)圈。

脈沖頻率接近但略高于氦-3的拉莫爾頻率（約833千赫茲），對(duì)應(yīng)的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為25毫特斯拉。

這些磁振子會(huì)被超流體的序參量分布與磁場(chǎng)分布，共同形成的陷阱束縛在超流體內(nèi)部，為后續(xù)的凝聚過(guò)程提供了基礎(chǔ)。

脈沖結(jié)束后，外界就再也沒(méi)有給系統(tǒng)輸入任何能量。

但這些磁振子會(huì)先在約3毫秒內(nèi)快速退相，隨后在磁振子子系統(tǒng)內(nèi)建立部分平衡，約0.1秒內(nèi)凝聚到陷阱基態(tài)，形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體。

所有磁振子抱團(tuán)進(jìn)入同一個(gè)量子態(tài)，鎖定同一個(gè)頻率持續(xù)進(jìn)動(dòng)，自發(fā)打破了連續(xù)時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性，最終形成連續(xù)時(shí)間晶體。

值得注意的是，這個(gè)時(shí)間晶體的頻率并非一成不變，它會(huì)在半分鐘內(nèi)緩慢升高約150赫茲后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榇耪褡訑?shù)量會(huì)因耗散逐漸減少，進(jìn)而改變了陷阱的序參量分布。

最令人驚嘆的是，它的相干狀態(tài)能維持整整幾分鐘，完成足足10?個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)才會(huì)慢慢衰減，這對(duì)于動(dòng)輒納秒、微秒級(jí)就退相干的量子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)難以想象的超長(zhǎng)相干時(shí)長(zhǎng)。

最關(guān)鍵的突破，是研究人員給這個(gè)時(shí)間晶體找了個(gè)搭檔：超流體液面上的重力波。

這種液面的周期性起伏本質(zhì)就是一個(gè)宏觀機(jī)械振子，相當(dāng)于腔光力學(xué)系統(tǒng)里會(huì)動(dòng)的鏡子；而時(shí)間晶體本身，則相當(dāng)于那個(gè)光學(xué)腔。

研究人員通過(guò)近乎水平地移動(dòng)樣品容器來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)機(jī)械模式，液面起伏會(huì)改變超流體的序參量分布，進(jìn)而調(diào)制時(shí)間晶體的進(jìn)動(dòng)頻率，就像鏡子移動(dòng)會(huì)改變光腔長(zhǎng)度、從而改變光腔共振頻率一樣。

更特別的是，這種耦合是非線性且可調(diào)控的，通過(guò)調(diào)節(jié)容器軸相對(duì)重力的靜態(tài)傾斜角θ?，就能在二次耦合和線性耦合之間平滑切換。

這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)了耦合機(jī)制的核心差異：時(shí)間晶體可通過(guò)磁場(chǎng)控制位置，既可以貼近液面，也能處于超流體內(nèi)部數(shù)毫米的體相區(qū)域。

靜態(tài)傾斜時(shí)，體相時(shí)間晶體的耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于表面時(shí)間晶體。

但動(dòng)態(tài)傾斜時(shí)，體相耦合會(huì)因超流體流動(dòng)增強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且增強(qiáng)幅度與溫度呈指數(shù)相關(guān)，而表面時(shí)間晶體的耦合強(qiáng)度在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)傾斜下幾乎沒(méi)有差異，這是由超流體表面的邊界條件決定的。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)證實(shí)，這個(gè)機(jī)械模式的共振頻率約為12.5赫茲，與考慮彎月面效應(yīng)后的理論預(yù)期值12.4赫茲高度吻合；且機(jī)械模式的耗散程度與超流體中的準(zhǔn)粒子密度呈線性關(guān)系，直接驗(yàn)證了時(shí)間晶體與液面運(yùn)動(dòng)耦合的真實(shí)性。

不過(guò)要說(shuō)明的是，目前時(shí)間晶體對(duì)液面起伏的反作用力約為10?1?牛，遠(yuǎn)小于約10??牛的機(jī)械阻尼力，二者相差10個(gè)數(shù)量級(jí)，因此暫時(shí)無(wú)法直接觀測(cè)到。

研究人員將這套全新的耦合體系，正式命名為時(shí)間晶體光力學(xué)。

這次的突破，直接給時(shí)間晶體裝上了調(diào)節(jié)旋鈕和讀數(shù)接口。

過(guò)去我們無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)控、讀取時(shí)間晶體的狀態(tài)，現(xiàn)在通過(guò)機(jī)械振子，既能靈活調(diào)節(jié)它的頻率，還能通過(guò)它的頻率變化，反推出機(jī)械振子的微小位移，這正是超精密傳感器的核心原理。

LIGO引力波探測(cè)器就是用腔光力學(xué)技術(shù)，測(cè)出了比質(zhì)子直徑還小一萬(wàn)倍的引力波形變，而時(shí)間晶體的超長(zhǎng)相干性，能讓這種測(cè)量的穩(wěn)定性和精度再上一個(gè)臺(tái)階，和傳統(tǒng)腔光力學(xué)系統(tǒng)不同，這套體系的信號(hào)邊帶寬度由傅里葉時(shí)間窗口的長(zhǎng)度決定，而非時(shí)間晶體的品質(zhì)因子，這也讓它在精密測(cè)量場(chǎng)景中擁有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。