北京大學(xué)物理學(xué)院趙宏政課題組與合作者實(shí)現(xiàn)時(shí)間回旋晶體

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所趙宏政助理教授課題組與合作者在非平衡物相及量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用金剛石中的碳-13核自旋作為量子模擬器，通過(guò)含時(shí)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一類(lèi)全新非平衡物相-時(shí)間回旋晶體。2025年10月14日，相關(guān)成果以《時(shí)間回旋晶體的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)》（“Experimental observation of a time rondeau crystal”）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然-物理》（Nature Physics）上。

將有序和無(wú)序的概念定義為自然界的組織原則，是科學(xué)和哲學(xué)最古老的探索之一。水以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)存在是日常生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，但這也體現(xiàn)了這些概念的復(fù)雜性。在高壓下，液相和氣相的界限變得模糊。固態(tài)的冰相，既展現(xiàn)出長(zhǎng)程空間有序，也同時(shí)具有短程無(wú)序：氧離子形成了具有長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)，但氧離子中的質(zhì)子在較短的長(zhǎng)度尺度上表現(xiàn)出高度的無(wú)序性。近年來(lái)，人們對(duì)序的研究從平衡態(tài)拓展至非平衡系統(tǒng)中，極大豐富了可能涌現(xiàn)的全新物質(zhì)狀態(tài)。一個(gè)典型的例子就是時(shí)間晶體（圖a，ii）：在周期性驅(qū)動(dòng)（Floquet）的多體系統(tǒng)中，空間平移以及離散時(shí)間平移不變性被打破，因此時(shí)間晶體在空間和時(shí)間上都展現(xiàn)出長(zhǎng)程有序性。然而，一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題是，非平衡系統(tǒng)是否能夠超越傳統(tǒng)的Floquet框架，展現(xiàn)出更加豐富的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)揭示了由非周期但有一定結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)所導(dǎo)致的全新的時(shí)間序。如圖a所示，類(lèi)似于空間中的準(zhǔn)晶體可以通過(guò)動(dòng)量空間的衍射圖樣來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于驅(qū)動(dòng)的連續(xù)傅里葉譜的時(shí)間序分類(lèi)方法。

原理示意圖

此項(xiàng)研究表明，打破驅(qū)動(dòng)中的周期性可以產(chǎn)生奇特形式的時(shí)間序；這包括確定性的準(zhǔn)周期性驅(qū)動(dòng)所誘發(fā)的時(shí)間準(zhǔn)晶體（圖a，iii），到完全無(wú)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖a，v）。介于兩者之間的是結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖a，iv），可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間尺度上的無(wú)序與長(zhǎng)時(shí)間尺度上的有序共存。這種長(zhǎng)程有序和短程無(wú)序的共存可以在固態(tài)晶體（特別是冰）的空間結(jié)構(gòu)中觀察到。直到最近，趙宏政和合作者在理論上預(yù)言了它在時(shí)間中的存在。在古典音樂(lè)中，由一個(gè)重復(fù)主題（這里對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間上的有序）與一個(gè)對(duì)比鮮明的變奏主題（此處對(duì)應(yīng)短時(shí)間中無(wú)序）交替組成的樂(lè)段被稱(chēng)為回旋曲。音樂(lè)中最著名的回旋曲例子之一是莫扎特的《土耳其進(jìn)行曲》。因此，團(tuán)隊(duì)將這種新的時(shí)間序稱(chēng)為回旋序。此項(xiàng)工作的關(guān)鍵，便是在超極化的碳-13核自旋（圖b）的宏觀系統(tǒng)中，成功觀測(cè)到了這種時(shí)間回旋序（圖c，d）并系統(tǒng)分析了其性質(zhì)，包括傅里葉譜（圖e）、存活壽命以及如何進(jìn)行信息的編碼等。

此項(xiàng)工作將量子調(diào)控的手段從周期性驅(qū)動(dòng)拓展至非周期調(diào)控，極大豐富了非平衡系統(tǒng)中的新奇量子多體物相，為構(gòu)建量子模擬以及量子計(jì)算平臺(tái)提供了強(qiáng)有力的工具，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的博士生Leo Moon以及德國(guó)馬克斯-普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的博士生Paul Schindler為共同第一作者，趙宏政、馬普所Marin Bukov研究員以及加州大學(xué)伯克利分校Ashok Ajoy教授為共同通訊作者。