全新物質型態：時間晶體

2024 年 08 月 27 日 CASE PRESS 時間晶體, 量子感測, 量子計算, 非平衡動力學

我們所認知的物質多是由原子隨著空間規則排列形成的晶體，2012 年時，諾貝爾物理獎得主 Frank Wilczek 提出一種猜想:「物質能不能隨著時間排列而非空間？」這樣的假想物質被稱為時間晶體。直到 2024 年 7 月，奧地利和中國的科學家首次製作出時間晶體，此研究利用奈米光束激發銣原子形成 Rydberg 態，觀察到電子之間的強交互作用導致週期性地振盪，此研究證實了時間晶體的存在，且時間晶體對外擾動具有更強的抵禦力，能延長量子狀態的壽命助於量子科技的發展，不僅如此，時間晶體的出現還能提供全新的視野使我們一窺大自然隨時間演進成有序系統的奧祕。

撰文 ｜ 黃鼎鈞

我們生活中常見的物質都屬於空間晶體，它們是由原子以規律性和對稱性的方式排列而成的固體材料，這種排列方式在空間上形成了週期性的結構，使得晶體在特定的方向上具有重複的圖樣，像是我們常見的食鹽 (NaCl) 就是以納離子 (Na⁺) 和氯 (Cl^-) 離子按規律排列而形成的立方體結構。空間晶體也是我們對物質最直觀的理解，從都市規劃、房屋建築、室內設計到整理桌面，我們都是以空間的概念來安排的。時間是與空間脣齒相依的概念，因此，諾貝爾物理獎得主 Frack Wilczek 曾在 2012 年提出一個對物質描述的假設：時間晶體，也就是在時間維度上具有週期性結構的物質，換句話說，物質將進入一種週期性的運動，在特定的時間間隔內重複其狀態，而這假設挑戰了科學家對平衡態系統的認識，因過去我們對於平衡的認知都是在空間上的，像是我們看到 101 大樓穩穩地豎立在台北信義區一樣，若是 101 大樓會「穩定地」忽而變成摩天輪，過一段時間又變回來，一定會嚇壞大家。時間晶體的概念一直被廣泛的討論，直到 2024 年 7 月，奧地利維也納大學與北京清華大學的研究團隊首次在實驗上成功地製作出時間晶體，被刊登在 Nature Physics 期刊上。

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在瞭解如何創造出時間晶體前，我們需要先瞭解什麼是 Rydberg 原子，Rydberg 原子是一種具有極高激發態的原子，環繞在 Rydberg 原子外層的電子被激發到非常高的能級上，使得 Rydberg 原子的電子軌道半徑變得非常大，通常是基態原子的數百倍到千倍之間。在這樣的情形下，電子與原子核的距離非常遠，所以受原子核的影響較弱，反而對外部的電場或磁場變得非常敏感，因此在兩個 Rydberg 原子之間，高激發態的電子之間將產生極強的交互作用（偶極矩）。在這項研究之中，研究人員利用奈米波長的光束將銣原子 (Rubidium, Rb) 激發到高能級的 Rydberg 態，並利用光束與銣原子氣體的交互作用，以光電檢測器觀察原子密度以及偶極矩隨著時間變化，發現了光信號的強度以高度規律的方式振盪，這些振盪是由於 Rydberg 原子之間的強交互作用，當入射光束同時激發兩種不同的 Rydberg 態時，導致原子之間產生了自發振盪，而這種模式與 Frack Wilczek 提出的概念相仿，證實了時間晶體的存在。試著用生活的經驗來理解，我們可以將 Rydberg 原子的電子想像成一個飛得極高的風箏，因為風箏離地面（原子核）非常地遠，所以不容易受到地面的氣流、地形或其他障礙影響，而當這風箏（電子）在高空遇上另一個風箏時，這兩個風箏是帶著電荷的，所以彼此會相互作用，兩個在風箏在高處纏綿時，也會使得在地面拉著風箏的人們跟著轉了起來，彷彿跳起舞來，跟著節奏擺動（振盪）。

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時間晶體的發現為基礎物理學提供了一個新的研究方向，透過時間晶體的行為可以豐富人類對大自然的理解。由於時間晶體是一種隨週期改變的物質狀態，也就是處在一種「穩定又不平衡的狀態」，屬於「非平衡動力學」，這門研究主要用來理解外部驅動力與內部交互作用的共同作用之下，系統會如何演化以致形成一個穩定的結構。在大自然之中，多數的系統都處於這種非平衡的狀態，像是生物的新陳代謝、海洋環流、颱風與暴風，還有像是大自然中隨著時間形成的有序結構，像是細胞分裂、礦物結晶、甚至遙遠的星系形成，因此對於時間晶體更深入的研究，都將使我們更理解大自然背後的運作模式，也就能更清楚知道「大自然如何隨著時間成為了有序的結構」。

在科技的應用上，相對於空間晶體，時間晶體對於外部的擾動有更強的抵抗能力，在 Nature Physics 期刊上的這篇報導顯示出即使在時間晶體系統引入外部干擾，這些振盪仍能夠保持穩定，而這對於目前正在發展的量子科技極有幫助，因為目前量子科技的瓶頸就在於其量子狀態對環境極為敏感，環境的變化容易造成量子現象的消逝。用放風箏的例子來理解的話，我們可以想像在風箏底下的兩個人在跳舞，相比於獨自一人孤獨的放風箏，別人應該更不敢來搭訕吧？在跳舞的兩個人總比獨自的一個人更有對外抵禦的能力。

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參考文獻

1. Wu, X., Wang, Z., Yang, F., Gao, R., Liang, C., Tey, M. K., ... & You, L. (2024). Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas. Nature Physics, 1-6.
2. Ciccotti, G., Kapral, R., & Sergi, A. (2005). Non-Equilibrium Molecular Dynamics. , 745-761.