新物質“時間準晶體”面世

    量子物理學又迎來突破。美國華盛頓大學、麻省理工學院和哈佛大學研究人員日前發佈消息稱，成功在鑽石上“雕刻”出一種全新的物質形態：“時間準晶體”。這項突破有望為量子計算、精確計時等領域帶來革命性影響。

    據悉，一般晶體在空間上呈周期性重複，而“時間晶體”在時間上呈周期性重複，或者說隨時間推移以相同方式重新排列其原子，導致“時間晶體”以設定的頻率振動。理論上，“時間晶體”就像不需要電池的時鐘，能呈現永動狀態，但實際上“時間晶體”非常脆弱，對環境壓力相當敏感而容易崩潰。

    研究人員表示，鑽石或石英等晶體具有高度有序的結構。此外，鑽石中的碳原子相互作用，形成重複且可預測的模式。正如普通晶體內的原子在空間中重複排列一樣，“時間晶體”內的粒子也會隨着時間推移，排列成重複且可預測的模式。換句話說，“時間晶體”內的粒子以恆定的頻率振動或“滴答”，使其在三維空間加時間這四個維度上形成有序的結構模式。

    “時間準晶體”與“時間晶體”有甚麼區別？在材料科學領域，“準晶體”內的原子在每個維度並不遵循相同的模式。同理，“時間準晶體”的粒子在不同維度以不同頻率振動。二○一六年，美國馬里蘭大學科學家研製出首個“時間晶體”。在最新研究中，他們更進一步，創建出了首個真正的“時間準晶體”，這是一種全新的物質狀態。研究人員指出，團隊此次首先在一小塊毫米大小的鑽石內構建了“準晶體”，隨後用氮束轟擊鑽石。氮束的能量足以敲除碳原子，留下空穴。電子進入這些空穴，每個電子都與其“鄰居”發生量子級相互作用。“時間準晶體”由鑽石內超過一百萬個空穴組成，每個“準晶體”的直徑約為一微米。

    研究團隊表示，在理論方面，“時間晶體”和“時間準晶體”的存在證實了量子力學的一些基本理論。在實用方面，因為對磁性等量子力極其敏感，“時間晶體”可用作永遠不需要充電的量子感測器。“時間準晶體”感測器則可同時測量多個頻率，從而更全面地了解量子材料的壽命。此外，“時間晶體”理論上可在不損失能量的情況下永遠運轉下去，可用於長時間存儲量子記憶，因此有望促進量子電腦的發展。

    研究人員指出，“時間準晶體”的出現，首先對於量子電腦的發展具有重要意義。它的獨特性質是在不損失能量的情況下運轉，這就為構建長期穩定的量子比特提供了可能。

    新    丁