新物質形態“時間準晶體”面世

科技日報北京3月19日電 （記者劉霞）美國華盛頓大學、麻省理工學院和哈佛大學科學家攜手，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。相關研究論文發表於新一期《物理評論X》雜誌。

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。換句話説，時間晶體內的粒子以恆定的頻率振動或“滴答”，使其在3維空間加時間這4個維度上形成有序的結構模式。

時間準晶體與時間晶體有什麼區別呢？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。

2016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。

研究團隊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100萬個空穴組成，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傳感器。時間準晶傳感器則可同時測量多個頻率，從而更全面地瞭解量子材料的壽命。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，因此有望促進量子計算機的發展。

【總編輯圈點】

時間準晶體的出現，首先對於量子計算機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。此外，時間準晶體的穩定振動模式，也可用於創建高精度的量子門操作，這是實現複雜量子算法的基礎。同時，時間準晶體對磁場和其他量子力極為敏感，這意味着它們可以被用作極其精確的傳感器，在醫學成像、地質勘探、環境監測，甚至安全通信協議等領域發揮特長。可見，這項研究有望為多個科技領域注入新的活力。