里德堡气体中耗散时间晶体的实验观察

耗散时间晶体是物质的一种状态，其特征是随着时间推移而发生周期性振荡，同时系统会耗散能量。与传统时间晶体不同，传统时间晶体也可以在封闭系统中出现，不会造成能量损失，而耗散时间晶体则出现在开放系统中，能量可以自由地流入和流出。

清华大学的研究人员最近在室温下观察到了强相互作用里德堡气体中的耗散时间晶体。他们的论文发表在《自然物理》杂志上，为研究这种迷人的物质状态开辟了新的可能性。

“我们取得的成果完全是意料之外的，”这项研究的指导研究员李友博士告诉Phys.org。“在三年前的新冠病毒大流行期间，当时还是一名博士生的首席作者吴晓玲博士决心继续在实验室工作，当时只有少数学生被允许进入。当时，我们的主要目标是在超冷原子气体中试验里德伯激发。”

在清华大学攻读博士学位期间，肖玲博士通过实验观察到探测光在通过用于将激光锁定到原子跃迁的热蒸汽室时传输中出现噪声状振荡。当时，他和他的同事都不明白这个令人惊讶的现象是什么，因为它还没有被预测或从理论上描述过。

“吴晓玲、王竹青和杨帆博士(我们论文的三位共同第一作者)以及北京量子信息科学研究院的李祥良博士一起，从实验和理论两个角度对这一新发现现象的物理原理进行了激动人心的探索，最终促成了这篇报道，”尤说。“吴晓玲的直觉和坚持以及我们团队所有人的合作对于这一意外发现至关重要，此后许多团队都报告了这一发现。”

托马斯·波尔博士也参与了研究，他对这项研究的理论方面做出了贡献。波尔与当时担任其博士后的杨博士密切合作。

“之前曾有几项实验研究激光与原子里德堡气体的相互作用，但没有一项实验报告了本实验中观察到的振荡行为类型，”波尔说。“因此，实验观察是一个奇妙的谜题，必须解决它才能了解其起源，并让我们相信振荡确实纯粹来自原子与光的相互作用。”

时间晶体本质上是一种自发出现时间振荡的物质状态。这些观察结果有点类似于在普通晶体中观察到的现象，在普通晶体中，原子之间的相互作用使它们自发地按照特定的空间模式排列。

“时间晶体有两种类型：一种是在周期性驱动力下形成的离散时间晶体，另一种是在时间无关的条件下自发出现的连续时间晶体，”杨解释说。“我们在研究中观察到了后者。”

电磁感应透明(EIT)是一种量子光学现象，由于相消干涉，两个强耦合的量子态为探测光建立了一个透明窗口，使探测光可以进入接近共振的第三态。值得注意的是，当里德堡原子之间存在强偶极-偶极相互作用时，光通过此窗口的传输线形状会发生变化。

“在我们的实验中，我们采用了三态阶梯配置，顶部里德堡态与中间激发态耦合，后者是从基态探测的，”尤解释说。“这种简单的设置使得我们可以在冷原子气体或热原子气体中研究流行病动力学、森林和自组织临界性等大量主题的非平衡物理学。

“我们的实验是在一个由85个Rb原子组成的蒸汽室中进行的，其中780nm探测光接近|g⟩=|5S1/2⟩至|e⟩=|5P3/2⟩的跃迁谐振，然后通过480nm耦合光进一步耦合到里德伯流形|nDJ⟩。”

在实验中，尤、波尔和同事们使用激光照射室温下的原子气体。施加的激光场将气体中的一些原子激发到所谓的里德堡态，从而增强了原子之间的相互作用。

由此产生的强相互作用影响原子被激发到里德堡态的过程，进而影响原子间的相互作用，形成一个以原子间相互作用越来越强为特征的“良性循环”。有趣的是，研究人员发现，在某些特定条件下，这种反馈回路可以导致里德堡原子数量的自发振荡。

“事实证明，需要特殊条件，即施加的激光场激发两种不同类型的里德堡原子，这样它们的相互作用才能引起振荡，而这种振荡可以直接观察到，即激光强度通过原子气体传播时的振荡，”波尔说。“然而，一旦满足这些条件，产生的连续时间晶体就会非常稳定，并能在几乎无限的时间内显示自持振荡。”

研究人员的实验与过去进行的类似实验的一个关键区别是，他们调整了耦合光的偏振，从而将|e⟩驱动到不同的里德堡态。该团队的装置中多个里德堡组件之间的相互作用和竞争大大丰富了系统的相图，从而使耗散时间晶体相得以出现。

杨说：“最近在另外两个系统中也观察到了耗散时间晶体的特征，它是由于光学谐振器中原子与单一模式的光子耦合或由于单个电子自旋与固态材料中的核自旋耦合而产生的。”

“我们的工作报告了对连续时间晶体的观察，这种晶体是由多体系统中粒子之间的相互作用产生的。从这个意义上说，这一发现为深化我们对时间晶体现象的理解提供了一个有希望的平台，这种现象更接近弗兰克·威尔切克在2012年提出的时间晶体的原始想法。”

该研究小组的最新研究揭示了观察里德堡原子气体中时间晶体行为所需的条件。他们的工作已经启发了实验室中的其他实验，其中一些实验旨在控制他们观察到的自持振荡的性质。

“通过这种方式，时间晶体相可以用来提高高精度电场传感器的性能，巨型里德堡原子已经找到了技术应用，”波尔解释道。

您、波尔和他们的同事介绍了一种非常有前景的平台来研究耗散时间晶体。他们的工作已经为全球其他实验室的实验铺平了道路，旨在进一步研究耗散时间晶体并控制振荡的特性。

未来，这些工作可能有助于开发新技术设备。例如，它们可以让工程师基于里德伯原子设计出性能更好、精度更高的传感器。

“在不久的将来，我们将集中精力描绘极限环和连续时间平移对称性破缺时间晶体之间的差异，”尤说。“后者，或TC，通常是指具有刚性和多体纠缠的宏观量子系统。”

在接下来的研究中，尤和他的同事希望直接观察与宏观量子关联相关的显著特征。他们的努力可以收集新证据，证实这些特征确实超出了他们论文中采用的平均场理论描述。

你和他的同事还计划研究他们观察到的时间晶体的可能应用。例如，他们将尝试确定它是否可以用于开发更先进的电磁场传感和计量设备。

Pohl补充道：“未来，更好地了解导致室温原子气体自发振荡的微观过程细节将非常重要。我们的发现还可能有助于确定在许多相互作用粒子的系统中出现连续时间晶体通常所需的基本机制。

“理解粒子间量子纠缠的意义和作用尤为重要，这在我们的系统中可能是独一无二的。”

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