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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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中國(guó)科大觀測(cè)到里德堡原子高階和分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體
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中國(guó)科大觀測(cè)到里德堡原子高階和分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體 中國(guó)科大中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室丁冬生課題組在里德堡原子周期性驅(qū)動(dòng)耗散系統(tǒng)的研究中取得重要進(jìn)展。該課題組在里德堡原子驅(qū)動(dòng)耗散系統(tǒng)中觀察到了高階和分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體。相關(guān)成果11月10日以“Higher-order and fractional discrete time crystals in Floquet-driven Rydberg atoms”為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。 自發(fā)對(duì)稱性破缺是解釋物質(zhì)相變的重要機(jī)制，比如空間上的平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺，使得物體形成了空間上的有序結(jié)構(gòu)，也就是空間晶體。同樣，研究人員提出時(shí)間上是否能發(fā)生類似的對(duì)稱性自發(fā)破缺，從而形成時(shí)間晶體。最初，這個(gè)概念由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者FrankWilczek教授提出，它描述物質(zhì)的時(shí)間和空間上的特征周期性地復(fù)現(xiàn)。研究人員在實(shí)驗(yàn)和理論上都對(duì)此進(jìn)行了大量研究，在理論上提出了離散時(shí)間晶體（DTC）的概念并且在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中觀測(cè)到了離散時(shí)間晶體的存在。離散時(shí)間晶體，就是滿足時(shí)間上離散平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺，表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)周期是驅(qū)動(dòng)周期的整數(shù)倍，如圖1所示： 圖 1 物理示意圖，（a）為包含兩個(gè)里德堡態(tài)的系統(tǒng)能級(jí)圖，（b）為驅(qū)動(dòng)耗散的系統(tǒng)示意圖，（c）為系統(tǒng)在周期為T的射頻驅(qū)動(dòng)下的響應(yīng)。對(duì)于一般的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)響應(yīng)的周期往往和驅(qū)動(dòng)周期保持一致，但是當(dāng)系統(tǒng)處于離散時(shí)間晶體相時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)周期表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)周期的整數(shù)倍，如圖中的2-DTC，3-DTC。 有趣的是，當(dāng)物理系統(tǒng)遠(yuǎn)離熱平衡狀態(tài)時(shí)，人們可以觀察到穩(wěn)定的耗散時(shí)間晶體、預(yù)熱離散時(shí)間晶體等奇異的物態(tài)現(xiàn)象。強(qiáng)相互作用的里德堡原子系統(tǒng)是研究非平衡動(dòng)力學(xué)的理想平臺(tái)之一。丁冬生、劉邦等人通過在周期性驅(qū)動(dòng)的里德堡原子系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，觀察到了強(qiáng)相互作用里德堡原子氣體中的高階以及分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體。在實(shí)驗(yàn)上得到了不同離散時(shí)間晶體的相圖，觀察到了整數(shù)階離散時(shí)間晶體的相變過程，如圖2所示。同時(shí)通過掃描系統(tǒng)參數(shù)，觀察到了分?jǐn)?shù)時(shí)間晶體存在的證據(jù)，如圖3所示。對(duì)于這些現(xiàn)象的研究將有助于我們加深對(duì)時(shí)間晶體這種特殊物質(zhì)狀態(tài)的理解，為探究量子系統(tǒng)的非平衡動(dòng)力學(xué)提供一個(gè)平臺(tái)。 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?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體，（a-c）分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體的相圖，（d-f）分?jǐn)?shù)離散時(shí)間晶體的傅里葉頻譜。 該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：他們觀察到離散時(shí)間晶體證明了超越單一離散時(shí)間平移對(duì)稱性破缺的能力，為熱原子氣體簡(jiǎn)單的平臺(tái)中的非平衡動(dòng)力學(xué)提供了新的見解。量子多體系統(tǒng)中更復(fù)雜的時(shí)間對(duì)稱性的存在擴(kuò)展我們?cè)谠擃I(lǐng)域的知識(shí)，并為非平衡物理學(xué)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(guó)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(dú)立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省重大科技專項(xiàng)以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。 文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53712-5 （光學(xué)與光學(xué)工程系、科研部） |
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