科技日報記者 劉霞

美國華盛頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)科學(xué)家攜手，成功在鉆石上“雕刻”出一種全新的物質(zhì)形態(tài)：時間準晶體。這項突破有望為量子計算、精確計時等領(lǐng)域帶來革命性影響。相關(guān)研究論文發(fā)表于新一期《物理評論X》雜志。

鉆石或石英等晶體具有高度有序的結(jié)構(gòu)。此外，鉆石中的碳原子相互作用，形成重復(fù)且可預(yù)測的模式。正如普通晶體內(nèi)的原子在空間中重復(fù)排列一樣，時間晶體內(nèi)的粒子也會隨著時間推移，排列成重復(fù)且可預(yù)測的模式。換句話說，時間晶體內(nèi)的粒子以恒定的頻率振動或“滴答”，使其在3維空間加時間這4個維度上形成有序的結(jié)構(gòu)模式。

時間準晶體與時間晶體有什么區(qū)別呢？在材料科學(xué)領(lǐng)域，準晶體內(nèi)的原子在每個維度并不遵循相同的模式。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(xué)科學(xué)家研制出首個時間晶體。在最新研究中，他們更進一步，創(chuàng)建出了首個真正的時間準晶體，這是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)。

研究團隊首先在一小塊毫米大小的鉆石內(nèi)構(gòu)建了準晶體，隨后用氮束轟擊鉆石。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(fā)生量子級相互作用。時間準晶體由鉆石內(nèi)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(xué)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，從而更全面地了解量子材料的壽命。此外，時間晶體理論上可在不損失能量的情況下永遠運轉(zhuǎn)下去，可用于長時間存儲量子記憶，因此有望促進量子計算機的發(fā)展。

總編輯圈點：

時間準晶體的出現(xiàn)，首先對于量子計算機的發(fā)展具有重要意義。它的獨特性質(zhì)是在不損失能量的情況下運轉(zhuǎn)，這就為構(gòu)建長期穩(wěn)定的量子比特提供了可能。此外，時間準晶體的穩(wěn)定振動模式，也可用于創(chuàng)建高精度的量子門操作，這是實現(xiàn)復(fù)雜量子算法的基礎(chǔ)。同時，時間準晶體對磁場和其他量子力極為敏感，這意味著它們可以被用作極其精確的傳感器，在醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測，甚至安全通信協(xié)議等領(lǐng)域發(fā)揮特長?？梢?，這項研究有望為多個科技領(lǐng)域注入新的活力。