《探索对时间晶体行为的理解的新思路》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: pengh
  • 发布时间:2019-11-22
  • 寻求发展对量子系统中时间晶体行为的理解的尝试有了新的,令人兴奋的转折。

    来自冰岛埃克塞特大学和圣彼得堡ITMO大学的物理学专家透露,封闭量子系统中存在真正的时间晶体是可能的。

    与迄今为止尚未考虑非平衡开放量子系统的其他研究不同,驱动器的存在会引起时间周期振荡,理论上,研究人员发现了一个量子系统,其中时间相关性可以无限长地存活。

    该研究报告于11月20日以《编辑评论》的形式发表在《物理评论快报》上,该研究可以为开发新颖而令人兴奋的应用(例如新型原子钟)铺平道路。

    诺贝尔奖得主物理学家弗兰克·威尔泽克(Frank Wilczek)于2012年首次提出了时间晶体(TC)的概念。将时间晶体确立为物质的新阶段的核心作用是打破时间平移对称性。

    在日常生活中,我们被固体包围,其中原子和分子沿空间坐标形成周期性结构。与普通的晶体(例如钻石)不同,其属性由原子规则地排列在空间中,而时间晶体则表现出不断变化的行为模式,这种行为会随时间重复。

    然而,在保持平衡的完全隔离的量子系统中,时间平移对称性破裂的可能性非常困难。值得注意的是,渡边晴树和Oshikawa Masaki证明的定理指出,时间晶体的量子形式是不可能的,除非:1)真正的量子系统中存在高度非局部相互作用;或2)考虑驱动系统。

    特别是,利用第二个漏洞,科学家们近年来证明,可以生产出不同的时间晶体变体(最显着的是离散或Floquet时间晶体)。

    问题是:“时间晶体的原始概念能否实现?”因此留在空中。

    在这项新的研究中,来自埃克塞特大学的Oleksandr Kyriienko领导的研究小组表明,可以绕过量子时间晶体存在的无定理,并且确实有可能实现真正的时间晶体秩序。

    关键成分对应于找到哈密顿量-一个描述量子系统能量的算符-完全满足渡边和Oshikawa提出的TC行为的条件。

    研究小组发现,打破时间平移对称性的系统必然具有多粒子相互作用(所谓的“弦”),其中至少一半粒子同时相互作用。

    由于对应于薛定inger猫状状态的两个最大纠缠状态之间的耦合,相关的基态相关函数表现出永久的振荡。

    这些发现可以帮助科学家进一步了解物质的凝聚态的行为,并为动力学阶数的物理学提供启示。

    作为打破连续时间平移对称性的第一步,这项研究引起了其他可能的量子系统的注意,在这些系统中,长程相互作用可能会诱发非平凡的动力学。

    Oleksandr Kyriienko说:“现在,我们知道时间平移对称性可以通过高度非局部的交互作用来打破。我们能否对此加以改进,并拥有减少交互作用的实用系统,使相关性在无限的时间得以维持?我不确定,但是我知道渴望找到答案。”

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    • 编译者:郭文姣
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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2022-01-20
    • 围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。我们通常认为,在晶体材料中原子的排布均匀且规则,而非晶体的原子排列呈现出普遍的无序性。   近日,北京高压科学研究中心研究员缑慧阳等在高温高压条件下合成了一种新形态的金刚石——次晶态金刚石。该项成果的问世在结构拓扑上链接了非晶态和晶态,对于揭示非晶材料复杂的结构本质具有深远意义。   该研究成果在线发表于权威学术期刊《自然》杂志。   在晶体与非晶体之间   围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。在晶体中,原子在三维空间上具有特定的堆积次序,其晶体结构可以用一个小的结构单元周期性表达。且在宏观视角下,我们无法分辨出其中的不连续性,因此我们通常认为,在晶体材料中原子的排布是均匀且规则的。同时,这也使得晶体材料的各个部分具有相同的物理、化学性质。   而与此相对,非晶体材料中的原子则缺乏长程的周期性排列,仅存在着短程有序性,即每个原子只在小范围内与其临近的原子在排列上呈现出一定的规则性。因此从宏观上观察,其原子排列呈现出普遍的无序性。而这种非晶体在结构上的差异,也直接导致其在力、声、光、电、磁、热等各方面材料性能上表现出极大不同。我们日常随处可见的玻璃便是最典型的非晶体材料之一。   缑慧阳表示,传统意义上一般将原子在0—0.5纳米直径范围内呈现出的有序性称为短程有序,0.5—2.0纳米范围内呈现出的有序性称为中程有序,大于2.0纳米的则称为长程有序。但他也提到,在实际的工作中,更常采用的方法是以有序配位壳层的数量来定义空间有序性,这是考虑到不同材料之间由于键长等差异导致的空间尺寸差异。   然而物质世界变幻无穷。研究人员发现,当温度升高时,晶体中的长程有序性会显著降低,逐渐向短程有序过渡,此时理解两种状态之间的差别变得异常困难。   那么对固体,尤其是强共价和类共价固体来说,在长程有序和短程有序之间,是否存在着一种中间态?为了探索这一结构之谜,理论科学家们提出了一种“次晶态”结构模型。“1930年以来,次晶态的概念偶尔出现在科学界,1950年德国霍斯曼教授基于一些软物质的发现,提出次晶态作为独立于晶体和非晶体的一种状态。”缑慧阳说,该概念在1980年前后逐渐被推广到聚合物、胶体、生物材料,甚至一些熔融态金属和合金、玻璃中。然而,在共价键合和类共价键合的材料中,科学家们却一直未能在自然界或实验室中发现这种完全由中程有序的次晶组成,而又不具有长程有序性的物质状态。尽管其曾经在半导体材料硅中提出过,但含量只有不到18%,而对于同族的金刚石来说,则一直没有相关研究涉及,更没有实验现象和证据。   处理后的富勒烯“不负众望”   但科学界不是没有过尝试。自次晶态概念被提出后,科学家们一直试图将这一状态从理论概念拓宽到各种各样的物质中。   缑慧阳介绍,2017年北京高压科学研究中心研究员曾徵丹等便曾利用金刚石对顶压机结合激光加热技术,成功在40—50吉帕和1800开尔文的压强、温度条件下合成出非晶态金刚石,然而极高的压强限制了合成样品的尺寸。该项成果成功地确定了sp3键合的非晶金刚石的真实存在,并且能够将其保留下来。   而且,科学界与工业界已经掌握了制备纳米级金刚石的技术,且纳米金刚石在各个领域得到了非常广泛的应用,具有广泛的实用价值。基于这样的研究背景,缑慧阳团队决定利用当下最先进的大腔体高温高压技术,突破传统大体积压机的压力范围,进行30吉帕以上压强的毫米级样品的研究。   缑慧阳和团队选取了不同特点的前驱物,分别是富勒烯、玻璃碳和洋葱碳,旨在探索不同前驱物在高压下的结构及微结构的转变过程和路径。和预想中的一样,研究团队在30吉帕压强下,1800开尔文以上的高温范围内,观察到了纳米金刚石的形成。但是只有富勒烯在30吉帕和1500—1600开尔文的压强、温度条件下出现了能够保留到常压的、具有中程有序的非晶金刚石,这是此前从未有过的发现。   但仅是发现还不够,要想对其进行深入细致的研究,还要求研究者能够对这种截留的具有中程有序的非晶金刚石进行详细的结构表征和模型构建。于是,缑慧阳及其合作者通过X射线、对关联函数、谱学、透射电镜等方法对其结构与微结构进行表征,并采用先进的大尺度分子动力学模拟对其进行详细对比和模型构建,最终将其识别确定为次晶态金刚石。这种结构的金刚石本质上是在非晶基体中引入纳米尺寸的中程有序结构。其发现不仅使研究者深入理解了这种特殊的金刚石,掌握了其独特性,更是填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节,为深层次理解非晶材料的复杂结构提供了密钥。   三个因素协调是关键   缑慧阳认为,此次能够成功合成次晶态金刚石,原因除了非晶金刚石自身具有更高的短程有序性外,还取决于三方面的决定性因素,即对于前驱物的选择、适宜的压力与温度以及对保温时间的控制。   在前驱物的选择上,缑慧阳团队选择了碳的三种同素异形体分别进行尝试,并最终在富勒烯上成功取得突破。富勒烯化学式为C60,由于每个分子中包含60个碳原子,并呈现出12个五边形所组成的球状,也被形象地称为足球烯。   缑慧阳向记者分析道,在高压的作用下,C60分子间的聚合作用为形成高密度的sp3键合提供了均匀的形核点,这使得在较低的压力和温度下形成sp3含量接近100%的非晶金刚石成为可能。而30吉帕甚至更高的压力则有助于提高形核的密度,再配合以适当的温度,便能够促进sp2向sp3转变,并抑制其快速地结晶。随后,经过适当时间的等温退火,便可使得非晶金刚石中逐步、动态地出现大量次晶态。   同时,缑慧阳也表示,或许除了富勒烯外,其他两种前驱体也可能会在某个温压区间内生成纳米级次晶金刚石,但仅就目前其所探索的压强、温度、时间范围内,尚未捕捉到。因此他认为,发现并成功截留次晶这种亚稳状态的关键正是在于对压强、温度和时间的有效把控,只有实现三者的完美协调,才能取得理想中的结果。   另一方面,此次研究能够取得突破性进展,同样离不开大腔体高温高压技术的发展。根据缑慧阳介绍,大腔体压机技术目前已经相对成熟,但在常规的压力组装方式下,传统大腔体压机的压力极限一般为27吉帕。而北京高压科学研究中心的科研人员通过改变碳化钨压砧的几何形状和对一级压砧进行精确控制,将压力提升到了30—50吉帕。同时,缑慧阳团队还利用高质量的碳化钨压砧,不进行任何调整,优化组装方式,实现了2000摄氏度下毫米量级的30吉帕高压。   除了填补理论上的空白,次晶态金刚石的合成更具备广泛的应用价值。次晶态金刚石除了具有和普通晶体金刚石相当的力学性能以外,还有非常独特的可调节的光学性能。“这意味着次晶态金刚石可能会是一个极端条件下非常良好的窗口材料。”缑慧阳指出,由于次晶态金刚石具有非常宽的荧光峰和较高的热稳定性,预期未来将在包括生物医学等在内的多个领域产生更加广泛的应用。