国科大田雨团队在“时间晶体”研究中取得新进展

 杨鹏

        近日，国科大350vip浦京集团田雨教授和博士生杨鹏（现为上海交通大学博士后）与上海交通大学和北京师范大学的科学家合作，借助全息对偶提出了一种新奇的非平衡量子物态：时空超晶体。相关工作以“Holographic Dissipative Spacetime Supersolids”为题发表在Physical Review Letters上。

        对称性及其自发破缺不仅是构建基本粒子标准模型不可或缺的观念，也是描述宇宙早期演化过程中发生相变的基本语言。特别的，这一观念与语言在物态及其相变的研究中也扮演了核心角色。例如，液态到晶体态的转变是通过空间平移和旋转对称性的自发破缺来实现的。而爱因斯坦的狭义相对论统一了时间与空间。从某种意义上来说，这意味着时间维度获得了与空间维度一样的地位。于是，一个自然的问题便是会否存在一种展现时间平移对称性自发破缺的物态。不过，这一问题直到2012年才由诺贝尔奖得主Wilczek教授最先提出。他也将这一可能的新物态命名为“时间晶体”。

        后来人们证明，对于一个孤立的量子多体系统，其基态是不可能自发破缺时间平移对称性的。这使得人们意识到，时间晶体只能在开放的量子多体系统中生成。而使得一个量子多体系统处于开放状态的一类典型做法是对其进行周期驱动。虽然周期驱动本身将连续的时间平移对称性破坏为分立的，但是系统本身如果以诸如倍周期的方式作出响应，那么由周期驱动所造成的分立的时间平移对称性依然发生了自发破缺，由此所生成的新物态被称为分立时间晶体，而找寻这一非平衡量子物态业已成为当前量子物理研究的重要前沿。该领域一个核心的问题是如何避免相关量子多体系统被加热，因为如果所涉系统在周期驱动下被加热，那么这一系统就不可能经过某一个时间段再回到原来的状态。除了通过所谓的多体局域化机制，另外一种避免所涉系统被加热的机制是通过力学的方式把由周期驱动所注入的能量提取出来。过去人们分别利用这两种机制成功地生成了分立时间晶体。那么还有无第三条途径去避免所涉系统被加热，从而也生成分立时间晶体呢？众所周知，当一个系统处在周围环境之中的时候，这周围环境常常可以充当一个大的热库。一个自然的问题是，这样有无可能将周期驱动所注入的能量以热的方式耗散进热库之中，从而避免所涉系统被加热。可是，由于对耗散量子多体系统缺少合适的研究手段，长期以来人们对于这一问题的了解极其有限。

图1.（左图）AdS黑洞对偶的时空超晶体艺术想象图；（右图）周期驱动-热耗散系统相图。

        针对这一困难，国科大田雨教授团队与上海交大蔡子教授、Baggioli副教授和北师大张宏宝副教授合作，应用弦论中的全息对偶方法来解决上述问题。这一方法的基本思想是将一个耗散量子多体系统对偶到一个高一维的黑洞引力系统，数值求解这一引力系统并利用AdS/CFT对偶字典来得到相应量子多体系统的信息。通过这一方法，他们发现周期驱动-热耗散的相互作用系统，可以产生一种新奇的非平衡量子物态：时空超晶体。这一量子物态不仅同时自发破坏了时间和空间平移对称性，还破坏了系统内禀的U(1)对称性。同时，研究表明，当环境温度上升时，系统的时空平移对称性同时被恢复，达到一种同步超流态。随着温度继续上升，U(1)对称性也被恢复，系统转变为正常流体（见图1）。这一研究表明热耗散可以有效避免所涉系统被无限加热，从而可以在其中生成分立时间晶体，这为在实验室中，特别是冷原子体系中制备时间晶体并研究其性质提供了全新的思路。

        该工作得到了科技部、国家自然基金委和上海市的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.221601