中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組在基于里德堡原子驅(qū)動(dòng)耗散系統(tǒng)的時(shí)間晶體研究中取得重要進(jìn)展，成功觀察到時(shí)間晶體的分岔現(xiàn)象。相關(guān)成果于2月6日以“Bifurcation of time crystals in driven and dissipative Rydberg atomic gas”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)的熵隨著時(shí)間的推移不斷增加，最終導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)耗散的里德堡原子系統(tǒng)中原子之間存在強(qiáng)相互作用，這種相互作用會(huì)改變?cè)酉到y(tǒng)的能量狀態(tài)以及動(dòng)力學(xué)演化進(jìn)程，使得系統(tǒng)的演化不會(huì)弛豫到平衡態(tài)，反而產(chǎn)生相干振蕩。在這一過程中，系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間平移對(duì)稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺，進(jìn)而形成時(shí)間晶體。目前，人們已觀察到從熱平衡相到時(shí)間晶體相的相變過程，然而，不同時(shí)間晶體的相變以及分岔效應(yīng)卻始終未能觀測(cè)到。

圖1 物理示意圖，（a）為包含多個(gè)里德堡態(tài)的系統(tǒng)能級(jí)圖，（b）為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，（c-f）為系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)以及對(duì)應(yīng)的傅里葉變化振幅和相位分布。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)出不同頻率的自發(fā)振蕩。

課題組開展了驅(qū)動(dòng)耗散的里德堡原子系統(tǒng)的非平衡動(dòng)力學(xué)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過施加射頻電場(chǎng)對(duì)處于不同里德堡能級(jí)的原子之間的相互作用進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，成功地在具有強(qiáng)相互作用的里德堡原子氣體中觀察到具有不同頻率的時(shí)間晶體，主要結(jié)果如圖1所示 。不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還在實(shí)驗(yàn)中獲得了時(shí)間晶體隨失諧變化的相圖。通過分析相圖，人們可以清晰地觀察到如圖2所示的時(shí)間晶體從倍周期分岔逐步演變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)的相變過程。與此同時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步觀察到時(shí)間晶體的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)于深入理解時(shí)間晶體這種特殊的物質(zhì)狀態(tài)具有重要意義，豐富了人們對(duì)時(shí)間晶體的認(rèn)知，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也為探索量子系統(tǒng)的非平衡動(dòng)力學(xué)提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2 時(shí)間晶體的分岔效應(yīng)，（A）系統(tǒng)響應(yīng)隨著失諧變化的相圖，（B-E）時(shí)間晶體倍周期分岔直至混沌的相變過程；時(shí)間晶體隨著電壓變化的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，（a）時(shí)間晶體隨電壓變化的相圖，（b）時(shí)間晶體頻率隨電壓的變化關(guān)系，(c)不同頻率的時(shí)間晶體傅里葉頻譜。

論文的審稿人認(rèn)為“這項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是值得關(guān)注的，其相對(duì)簡單的實(shí)驗(yàn)裝置和參數(shù)控制對(duì)于時(shí)間晶體的研究意義重大，推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展”。（The experimental results of this work are noteworthy and the relatively straightforward apparatus and parameter control enabling the investigation of time crystals is significant and pushes the field forword.）。

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通訊作者。該成果得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、基金委重大項(xiàng)目以及聯(lián)合基金項(xiàng)目、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。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56712-1

（中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90570.htm

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