【儀表網 研發快訊】中國科大中國科學院量子信息重點實驗室丁冬生課題組在里德堡原子周期性驅動耗散系統的研究中取得重要進展。該課題組在里德堡原子驅動耗散系統中觀察到了高階和分數離散時間晶體。相關成果11月10日以“Higher-order and fractional discrete time crystals in Floquet-driven Rydberg atoms”為題發表在國際知名學術期刊《Nature Communications》上。
自發對稱性破缺是解釋物質相變的重要機制，比如空間上的平移對稱性的自發破缺，使得物體形成了空間上的有序結構，也就是空間晶體。同樣，研究人員提出時間上是否能發生類似的對稱性自發破缺，從而形成時間晶體。最初，這個概念由諾貝爾物理學獎獲得者FrankWilczek教授提出，它描述物質的時間和空間上的特征周期性地復現。研究人員在實驗和理論上都對此進行了大量研究，在理論上提出了離散時間晶體(DTC)的概念并且在實驗系統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破缺，表現為實驗系統的響應周期是驅動周期的整數倍，如圖1所示：
圖 1 物理示意圖，(a)為包含兩個里德堡態的系統能級圖，(b)為驅動耗散的系統示意圖，(c)為系統在周期為T的射頻驅動下的響應。對于一般的系統來說，系統響應的周期往往和驅動周期保持一致，但是當系統處于離散時間晶體相時，系統的響應周期表現為驅動周期的整數倍，如圖中的2-DTC，3-DTC。
有趣的是，當物理系統遠離熱平衡狀態時，人們可以觀察到穩定的耗散時間晶體、預熱離散時間晶體等奇異的物態現象。強相互作用的里德堡原子系統是研究非平衡動力學的理想平臺之一。丁冬生、劉邦等人通過在周期性驅動的里德堡原子系統中，通過調節系統參數，觀察到了強相互作用里德堡原子氣體中的高階以及分數離散時間晶體。在實驗上得到了不同離散時間晶體的相圖，觀察到了整數階離散時間晶體的相變過程，如圖2所示。同時通過掃描系統參數，觀察到了分數時間晶體存在的證據，如圖3所示。對于這些現象的研究將有助于我們加深對時間晶體這種特殊物質狀態的理解，為探究量子系統的非平衡動力學提供一個平臺。
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分數離散時間晶體，(a-c)分數離散時間晶體的相圖，(d-f)分數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：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提供了新的見解。量子多體系統中更復雜的時間對稱性的存在擴展我們在該領域的知識，并為非平衡物理學的新探索鋪平道路。(“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立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國科學院、安徽省重大科技專項以及中國科學技術大學的資助。
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