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王沪宁 2019-09-23

分类: 哈尔滨丈屡集团有限责任公司

王沪宁_科学家称磁性氦可将超流体变为时间晶体

北京时间6月19日消息,据国外媒体报道,“时间晶体”的概念最初提出于2012年。2017年,科学家首次观察到现实中的离散时间晶体。我们熟悉的晶体均为“准晶体”形式,因此不久便发现了时间“准晶体”。而科学家如今找到了一种同时也是时间“超固体”的时间“准晶体”。听不懂没关系,毕竟作者自己也不是很明白。

▲虽然听起来魔幻,但时间晶体和魔法毫无关联。

先来梳理一下这句话的成分,看看你能理解多少。

晶体和准晶体

晶体是指物质单位按一定周期在空间中不断重复排列成的结构,因此可以无空隙地填满空间。这些单位只能重复、不能旋转。由原子构成的方格可以填满整个空间。准晶体同样用重复的单位无间隙地填满空间,但这些单位可以旋转。准晶体的结构同样呈有序排列,但与我们熟悉的“有序”不同,在准晶体中,两块部分重叠的图案按照不同的间隔重复排列。最重要的是,其间隔之比并非整数。

将空间换成时间

在离散时间晶体中,重复排列的不是原子位置,而是某种行为。但可别把它想成来回摇晃的摆锤,这两者其实有所区别。假设我要将摆锤做成一个时间晶体。摆锤有天然的振荡频率。我可以按这一频率推动摆锤,让它开始摆动。也可以固有频率的一半推动它,摆锤照样能正常摆动。

但我不能按固有频率的两倍推动摆锤,否则摆锤就无法正常运动。因为第一次推动让摆锤开始运动,第二次则刚好让摆锤停止运动。要想让摆锤有力振荡起来,摆锤的固有频率就必须为推动摆锤的频率的整数倍。

在离散时间晶体中,我们推动“摆锤”振动的频率与其固有频率并不吻合。但其振动并不会因此停止,反而会按照既非固有频率、也不符合驱动频率的新频率来回振动。如果能造出这种物质,也许就得到了时间晶体。

zai li san shi jian jing ti zhong, wo men tui dong" bai chui" zhen dong de pin lv yu qi gu you pin lv bing bu wen he. dan qi zhen dong bing bu hui yin ci ting zhi, fan er hui an zhao ji fei gu you pin lv ye bu fu he qu dong pin lv de xin pin lv lai hui zhen dong. ru guo neng zao chu zhe zhong wu zhi, ye xu jiu de dao le shi jian jing ti.

与普通准晶体类似,时间准晶体可同时出现两种不同的振动频率,就像一条绳子上同时出现两种振动波。但这些频率都不是驱动频率的整数倍。并且和普通准晶体一样,这两种频率之比也并非整数。

稀奇古怪的性质

研究人员使用冷却至绝对零度的氦-3(少一个中子的氦同位素)来观察时间晶体和时间准晶体。由于原子核中粒子数量为奇数,氦-3的磁矩很强。且氦原子磁矩均指向同一方向,构成了所谓“磁振子”。

研究人员观察到了一种时间准晶体,由在空间中缓慢自旋的磁振子构成。这些磁振子由装有氦的容器产生的磁场、以及另外施加的射频场驱动。结果磁振子产生了两种振动频率,既非驱动场频率的整数倍,也不是彼此的整数倍。

这一部分是因为驱动磁振子的射频场只能输入随机能量。而这样一来就更难理解了。就像一个婴儿在乱敲钢琴键,但你听到的不是乱七八糟的噪音,而是整整齐齐、不断重复的音阶。

研究人员将射频场关闭之后,时间准晶体很快便分崩离析,系统进而形成了离散时间晶体。氦磁场可改变容器的形状,使氦原子在其中发生碰撞,系统的驱动频率正是来源于此。

但这一过程无法一直持续下去。随着氦原子四处碰撞,有些氦原子会发生翻转、改变朝向。它们的磁场方向也会随之翻转,导致它们被抛离系统。久而久之,离散时间晶体便会逐渐销蚀不见。

超固体时间晶体

读到这里,是不是觉得这东西古怪极了?别急,它还能更古怪呢。氦-3在低温下会形成一种特殊的超流体,名叫拓扑超流体。而氦形成的磁振子的自旋非零,这一性质必须保持不变。因此自旋在氦-3中的传输也呈现出超流体特性,就像“超流体中的超流体”。

这种磁振子也属于时间晶体。如果我们将晶体视为一种时间固体,那么这种时间晶体必为超固体。

什么是超固体?其实就是没有摩擦力的固体。两块超固体从彼此表面擦过时,不会损失任何能量。现实中是否存在超固体仍是个争议话题,相关证据也模棱两可。将超固体等同于时间晶体似乎还为时过早。

不过话说回来,这方面的研究还是很酷炫的,是不是?

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发布时间:03:27:07

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