在许多方面，科学家很像侦探，通过筛选证据寻找线索般的模式来解开谜团。例如，任何晶体，无论是食盐颗粒还是钻石项链，都只是一堆以重复模式排列的原子。侦探只需瞥见晶体中少数有规律排列的原子，就可以推测出所有其他原子应该在哪里。
但是，如果这种模式是跨越时间而不是空间分布的，模式的组成部分通过“何时”而不是“何地”相关联，那又会怎样呢？这种反直觉的概念是“时间晶体”的基础，时间晶体是一种量子系统，表现出类似晶体的可预测重复行为。麻省理工学院物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克 (Frank Wilczek) 于 2012 年首次提出了它们存在的理论。经过多年的艰苦工作，实验人员直到 2021 年才成功地将时间晶体工程化为现实。现在，加州大学河滨分校的工程师侯赛因·塔赫里 (Hossein Taheri) 领导的一个物理学家团队通过用光制造时间晶体取得了另一项进展。他们发表在二月份的《自然·通讯》上的这项工作，可能有助于时间晶体从脆弱的实验性奇观转变为更强大的实用设备组件。
虽然时间晶体的行为随时间重复，但它不能被视为简单的时钟。具体来说，时钟需要外部能量才能持续运转，但对于时间晶体来说，“滴答”声是其最自然、最稳定的状态。这与物理学家对热力学平衡的理解相反，在热力学平衡中，能量流入系统只是为了不可避免地消散：想象一下一壶水被烧开，然后恢复到室温。从这个意义上说，时间晶体更像是一壶总是以完全相同的方式沸腾并且永不冷却的水。根据某些定义，它们因此代表了一种新的、独特的状态，其特点是坚定不移地保持非平衡状态。作为这种固有的节拍器，时间晶体可能是精密计时或量子信息处理的未来重要资产。
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“时间晶体已经从一个由高度理论的考虑驱动的概念想法，转变为人们试图用于技术的东西，”未参与这项新工作的维尔切克说。但研究人员不得不在寻求将时间晶体从实验室带入现实世界应用领域的过程中，遵循漫长而棘手的道路。通常，需要令人望而生畏的实验装置或强大的量子计算机的独特审查，才能辨别任何给定的装置是否构成时间晶体。
该团队的突破可以说是使用了一种相对简单的方法，该方法的核心是将双激光束导入毫米宽的圆盘形晶体腔中。在腔内，两束光束反复地从其侧壁反射并在此过程中碰撞。至关重要的是，研究人员选择了一种特定的腔体设计，并精确控制了激光束的特性，从而使反射光束产生了奇特的模式，而这些模式永远不可能从例如普通家用灯泡发出的光中产生。在其晶体“蹦床”中，激光束变成了一连串的“块状物”，每个“块状物”更像是一个永不改变形状的单个波峰，而不是受扰动湖面上的宽阔涟漪。这些所谓的孤波或孤子以可预测的周期性出现并形成队列，完美地合拍行进，从而构建了一个时间晶体。物理学家通过仔细研究从腔体中泄漏出来的光来捕捉到这种“结晶”。
塔赫里解释说，如果某个微小的你站在腔体的出口处，手持一个光探测器，最初你会检测到与激光器的特性相关的出射光强度周期性变化。然而，最终，一种光强度模式会自发地出现，其周期性与孤子在腔体中行进所设定的周期性截然不同。这有点像在电视上看电影，电影突然开始快进播放，其特定的帧速率由显示器内部的某些隐藏机制而不是您控制的任何设置来设定。“现在我们看到[光]波的一些特征是周期性的，但它们的周期实际上是激光器[在光上]印记的周期性的两倍或三倍或其他整数倍，”塔赫里说。这种增加揭示了一个量子系统，该系统现在自然地保持了自己的时间——换句话说，一个基于光的时间晶体。
美国宇航局喷气推进实验室的物理学家、该研究的合著者安德烈·马茨科 (Andrey Matsko) 将其比作通过将细绳悬挂在盐液中来生长盐晶体。“调整我们的激光器就像控制您放入[盐]溶液中的线的结构，”他说。在任何一种情况下，激光器或细绳都有助于晶体的形成，但它们的周期性、它们的模式完全是它们自己的。
过去的研究利用不同的构建模块来工程化时间晶体，但新实验中使用光被证明具有实际优势。重要的是，该团队的时间晶体在相对正常的条件下运行。大多数物质的量子相仅在低温或其他极端条件下才显示出其特殊性质，而当它们暴露于实验室外的世界时，就会恢复为非常普通的状态。“从我的角度来看，这项实验很重要，因为它在[相对]高温下工作，”牛津大学的物理学家贝里斯拉夫·布卡 (Berislav Buca) 说，他没有参与这项研究。“这使得它更接近我们在周围现实世界中看到的复杂过程。”
新的时间晶体也被证明出奇地能够抵抗现实世界中臭名昭著的混乱。根据塔赫里的说法，系统的能量随机损失以及其侵入的噪声（有点像你的电视机发热并在观看电影的类比中显示静电）实际上提高了它的稳定性。通常，“当这两个要素都存在时，它们会试图破坏结晶性，”他说。为了避免这种外部扰动，时间晶体通常必须与其环境严格隔离。“但我们的系统在这些相互作用的参与者之间取得了平衡，”塔赫里说。英格兰诺丁汉大学的物理学家伊戈尔·莱萨诺夫斯基 (Igor Lesanovsky) 也未参与该实验，他同意在不将其与周围环境隔绝的情况下保持时间晶体工作可能很棘手。“你真的需要在不同效应之间达成‘共谋’，”他说。
由于耗散和噪声共同作用以相互制约有害影响，因此新的光基时间晶体是未来集成到实用设备中的有希望的候选者。光子技术公司 OEwaves 的首席执行官兼该研究的合著者卢特·马雷基 (Lute Maleki) 指出，制造它也需要相对较少的组件。“这真的是一个简单的[设备]架构，”他强调说。“许多[研究]小组都应该可以接触到它。” 马雷基希望未来的研究将把这种简单而有弹性的设计推向基础物理研究和精密计时等应用努力的中心。
作为一种计时设备，光基时间晶体可能略逊于最先进的原子钟的精度。但其稳定性和朴实的组件可能使其非常适合集成到例如通信或计算设备中，这些设备需要非常精确的计时，同时也要足够坚固以在实验室精心控制的条件之外运行。此外，一些常见的电子制造技术可能会使时间晶体在芯片上的实现成为可能，从而更容易将该系统添加到现有的消费电子产品中。
此外，波兰雅盖隆大学的物理学家、该研究的合著者克日什托夫·萨查 (Krzysztof Sacha) 说，物理学家可以像研究更传统的空间晶体几十年那样研究非常大的时间晶体。在这里，物理学家可以交换空间和时间来研究用某些缺陷工程化或沐浴在过量能量中的时间晶体是否会表现出意想不到的行为。这种行为通常在小晶体中更难检测到，因此制造其大型光基系统的能力有可能使该团队进入一个全新的领域。“我认为这真的开启了一个新的[物理研究]视野，”萨查强调说。威尔切克表示同意。“这是一个全新的物质状态类别，”他说。“我很可能认为，当您检查它们时，有用的设备和其他惊喜将会出现。这是一片处女地；我们正在这里发现一个新世界。”