时间晶体的制作变得更容易了

要制作太空晶体，需要地球表面对矿物和岩浆施加巨大的压力。但要制作时间晶体，需要深奥的方程式和极其精确的激光。

至少，物理学家们去年在实验室中就是这样制作出第一块自立式时间晶体的。现在，他们利用能够承受室温的常见元素制作出时间晶体，将其变成了更加实在的物体。2 月 14 日，他们在《自然通讯》杂志上分享了他们的设计。

如果你想知道时间晶体是什么（除了科幻小说），大多数物理学家直到最近也曾有过同样的疑问。这是一种直到 2012 年才被提出的物质形式，直到 2016 年才看到其雏形。

为了理解量子力学的这一奇怪章节，想象一下盐块或钻石之类的晶体结构。这些物体深处的原子在空间中以重复、可预测的模式排列。例如，如果你从冰箱里拿出一块冰块，放大到最小的尺度，你会看到水分子中的氢原子和氧原子形成了一个由微小的六边形组成的马赛克。（这就是为什么雪花往往是六边形的原因。）

因此，物理学家也称这些结构为“空间晶体”。但正如空间的三个轴形成不同的维度一样，时间也构成一个维度。物理学家开始怀疑他们能否找到一种晶体——或类似晶体的东西——其原子会随着时间形成重复的图案。

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过去几年，世界各地的实验室都在研究时间晶体可能是什么样子。有些实验室从原子以某种方式排列的空间晶体开始。然后，他们用精细调谐的激光轰击晶体，将原子“翻转”到另一种状态，再次加热晶体，将其切换回第一种排列，再切换到第二种排列，依此类推，以精确的规律进行。这种激光驱动的装置被称为“离散时间晶体”。（理论上，还有其他类型的时间晶体。）

2016 年，马里兰大学的物理学家利用稀土金属镱原子创造了一种基本但离散的时间晶体。其他团队则对奇异环境进行了改进，例如钻石内部或一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的波状物质状态。最近，在 2021 年 11 月，斯坦福大学和谷歌的物理学家宣布他们在量子计算机中创造了一种时间晶体。

但早期的时间晶体存在局限性。首先，它们通常只能在略高于绝对零度的低温下存在，对于人们日常使用的大多数系统来说都不实用。部分原因是，这些时间晶体存在于量子计算机等孤立系统中，远离“现实世界”。此外，它们不会持续很长时间：状态之间的变化会在几毫秒后停止，就像发条玩具用完线一样。

正如空间晶体在空间中的大小取决于模式重复的程度，时间晶体也可以长或短，这取决于每个状态的持续时间。到目前为止，时间晶体往往很短或“小”。这为成长留下了空间。

因此，这个全球物理学家团队着手设计一种时间晶体，以规避其中的一些问题，并希望它能在现实世界中发挥作用。他们的设备由一个直径约 2 毫米的晶体组成，由氟和镁原子制成。它使用一对激光在图案之间移动，并且可以在 70 华氏度（室温）下进行。

研究团队完成系统微调后发现，他们可以制造出比以往任何时间晶体都“更大”的各种时间晶体。加州大学河滨分校电气工程师、这项研究的贡献者侯赛因·塔赫里在接受《物理世界周刊》播客采访时表示：“原则上，我们系统中生成的离散时间晶体的寿命是无限的。”

塔赫里在播客中说：“物理学中，一般来说，只要有系统与环境之间能量交换的路径，噪音也会通过同样的路径潜入。”这可能会破坏时间晶体形成所需的微妙物理原理，这就是为什么需要用这种不切实际的方法来控制它们。但塔赫里和他的同事们能够通过使用两束激光保持状态变化来绕过这些限制。

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有了研究人员的成果，时间晶体可能离实验室外的实现又近了一步。如果真是这样，它们将有哪些应用呢？

没人会很快将时间晶体放入时光机或曲速引擎中，但它们的精确特性可以与原子钟或专用设备的硅芯片完美匹配。或者，由于它们由激光驱动，它们可以支持更强大的光纤连接。或者，它们可以帮助人们更好地理解量子物理和物质的独特状态。

加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的工程师兼另一位作者安德烈·马茨科 (Andrey Matsko) 告诉《物理世界周刊》：“我们可以利用我们的设备来预测我们在更复杂的实验中可以观察到什么。”

事实上，他和他的团队认为时间晶体可以催生出一个有着美丽科幻风格名字的学科领域：“时间电子学”。

波兰克拉科夫雅盖隆大学物理学家、研究合著者克日什托夫·萨查在播客中表示：“我相信时间电子学即将到来。”因此，虽然你距离拥有时间晶体还有很长的路要走，但它们可能会比你预期的更快进入你的世界。