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对大多数人来说，提到水晶是与各种宝石如DIA和石英等珍贵物品联系在一起的，它们深受人们的喜爱。然而，对物理学家来说，这些在空之间重复排列的具有规则原子结构的晶体仅代表冰山一角，并且这些原子结构在特定条件下也可以显示出沿时间轴的周期性变化，即所谓的“时间晶体”。
《自然》杂志最近在“时代水晶”的封面上推出了两篇重要论文。分别由哈佛大学和马里兰大学领导的两个研究团队首次同时使用不同的方法创造了“时间水晶”，宣称“时间水晶”不再只是科幻戏剧《谁博士》中的虚拟“时间空穿梭”，而是一种真实的存在，为人类研究物质特征开辟了一条新的思维方式。
什么是“时间水晶”
“时间晶体”理论是由诺贝尔奖得主、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克及其同事在2012年首次提出的。当时，他们发表了一篇解释相关理论的论文。他们认为“时间晶体”是一个理论系统，它能在基态(最低能量状态)作周期性运动，打破了时间平移的对称性，因此旋转时的能量低于静止时的能量，并能在不消耗能量的情况下以固定模式运动。
去年夏天，著名的物理杂志《物理评论快报》发表了一篇论文，来自加州大学伯克利分校的研究人员在论文中描述了制造“时间晶体”和测量其特性的方法。在接受外国媒体采访时，该论文的主要作者、该校助理教授姚颖用果冻形象地解释了“时间水晶”。他认为“时间晶体”的原子结构在受到冲击后会在时间维度上周期性地再现，就像果冻在反复敲打后的周期性摇动一样。
一些研究者也使用海绵来帮助人们理解“时间晶体”的概念。当人们每次用相同的力捏海绵时，海绵会周期性地呈现相同的形状。“时间晶体”中的量子系统有相似的运动。
“时间水晶”是真实的
这一次，两个不同的研究小组在制造“时间晶体”的实验中应用了姚颖提出的方法。他们的名字出现在两篇论文的作者中。姚颖说，他的团队在两组实验中充当了理论假设和实际操作之间的桥梁，成功地帮助他们以不同的方式创造了“时间晶体”。
其中，由马里兰大学张杰强博士领导的科研团队对准了10个带电的镱离子，用一束激光轰击离子，产生磁场，用另一束激光反转原子的自旋方向，并一遍又一遍地重复这一过程，最后让原子进入一个在时间上重复的反转模式，从而创造出“时间晶体”。
另一方面，哈佛大学的研究团队以钻石和100万个随机分布的氮元素—空位点作为实验平台，来制备一个离散的“时间晶体”。由于实验的样本量很大，这种方法意味着自然界中“时间晶体”的可能性比预期的要高得多。
清华大学交叉信息研究所量子信息中心的尹博士告诉《科学日报》，这次产生的“时间晶体”的运动周期与施加的脉冲不同，它比施加的脉冲长，是施加脉冲的两倍、三倍或更多倍。此外，在外部驱动下，系统很难演化到热平衡状态。这意味着他们已经通过实验证明了“时间晶体”的核心概念——在时移中对称性的自发破坏。
物理学研究的新世界
姚颖认为“时间水晶”是一种全新的材料形式。与过去半个世纪研究的金属和绝缘体等平衡材料不同，它处于非平衡状态，这将为物理学研究打开一个崭新的世界，并回答与物质性质有关的各种基本问题。
尹博士说，根据维尔切克的思想，有了“时间晶体”，人们就可以开发出时间空的晶体，结晶在三维空和时间维度中。将来，人们可以对时间空晶体进行编程，并可以设计复杂的周期性运动循环来表示不同位和位之间的运算。然后，人们可以将人脑意识上传到时间空晶体中，以保存生活中最美好、最难忘的记忆。
现在，“时间晶体”已经成功制造，它的实际应用或在不久的将来的实现将帮助科学家开发新的量子计算机来存储和处理数据，并开启量子计算的新篇章。
