新物质形态“时间准晶体”面世

科技日报北京3月19日电 （记者刘霞）美国华盛顿大学、麻省理工学院和哈佛大学科学家携手，成功在钻石上“雕刻”出一种全新的物质形态：时间准晶体。这项突破有望为量子计算、精确计时等领域带来革命性影响。相关研究论文发表于新一期《物理评论X》杂志。

钻石或石英等晶体具有高度有序的结构。此外，钻石中的碳原子相互作用，形成重复且可预测的模式。正如普通晶体内的原子在空间中重复排列一样，时间晶体内的粒子也会随着时间推移，排列成重复且可预测的模式。换句话说，时间晶体内的粒子以恒定的频率振动或“滴答”，使其在3维空间加时间这4个维度上形成有序的结构模式。

时间准晶体与时间晶体有什么区别呢？在材料科学领域，准晶体内的原子在每个维度并不遵循相同的模式。同理，时间准晶体的粒子在不同维度以不同频率振动。

2016年，美国马里兰大学科学家研制出首个时间晶体。在最新研究中，他们更进一步，创建出了首个真正的时间准晶体，这是一种全新的物质状态。

研究团队首先在一小块毫米大小的钻石内构建了准晶体，随后用氮束轰击钻石。氮束的能量足以敲除碳原子，留下空穴。电子进入这些空穴，每个电子都与其“邻居”发生量子级相互作用。时间准晶体由钻石内超过100万个空穴组成，每个准晶体的直径约为一微米。

研究团队表示，在理论方面，时间晶体和时间准晶体的存在证实了量子力学的一些基本理论。在实用方面，因为对磁性等量子力极其敏感，时间晶体可用作永远不需要充电的量子传感器。时间准晶传感器则可同时测量多个频率，从而更全面地了解量子材料的寿命。此外，时间晶体理论上可在不损失能量的情况下永远运转下去，可用于长时间存储量子记忆，因此有望促进量子计算机的发展。

【总编辑圈点】

时间准晶体的出现，首先对于量子计算机的发展具有重要意义。它的独特性质是在不损失能量的情况下运转，这就为构建长期稳定的量子比特提供了可能。此外，时间准晶体的稳定振动模式，也可用于创建高精度的量子门操作，这是实现复杂量子算法的基础。同时，时间准晶体对磁场和其他量子力极为敏感，这意味着它们可以被用作极其精确的传感器，在医学成像、地质勘探、环境监测，甚至安全通信协议等领域发挥特长。可见，这项研究有望为多个科技领域注入新的活力。