科學家設計4維時空晶體：可制造鐘表永遠精確

1、.科學家設計4維時空晶體：可制造鐘表永遠準確這一設想中的時空晶體a顯示在時間和空間維度中的周期性構(gòu)造，而超冷狀態(tài)下的離子不斷在一維空間里發(fā)生自旋b，即便是處于最低能量級也是如此據(jù)物理學家組織網(wǎng)站報道，想象一只可以永遠保持走時準確無誤的鐘，即便是在宇宙到達熱寂之后也是如此。這就是一種被稱作“時空晶體的裝置背后的意義，這是一種4維晶體，在時空中擁有一種周期性構(gòu)造。然而，這其中也存在著實際和重要的科學理由去構(gòu)建一個時空晶體：有了這種4維晶體，科學家們將擁有一種全新的，更加有效的手段對復雜的物理屬性和大量粒子的復雜互相作用行為進展研究，或者是研究物理學中所謂的“多體問題。這種時空晶體同樣可以被用來對量

2、子世界進展研究，如量子糾纏現(xiàn)象，在這種狀態(tài)中，當對其中一個粒子進展操作時，另外一個粒子也會相應地發(fā)生變化，即便這兩個粒子之間隔開著宏大的間隔 。然而這種時空晶體長期以來都僅僅存在于理論物理學家們的頭腦中，卻并沒有任何嚴肅的有關如何將其實際制造出來的手段直到如今。一個由美國能源部勞倫斯-伯克利國家實驗室的研究人員們領銜的國際科學家小組近期提出了一種時間晶體的實驗設計方案，該方案是基于電場離子阱和粒子之間的庫倫斥力構(gòu)建的。伯克利實驗室材料科學分部研究科學家張翔音譯：XiangZhang說：“離子阱的電場將帶電粒子固定住，而庫倫斥力讓它們自發(fā)地形成一個空間環(huán)狀晶體。在一個微弱的靜態(tài)磁場作用下，這一環(huán)

3、狀離子晶體將開場用無止境的轉(zhuǎn)動。這一被固定住的離子將會產(chǎn)生時間序列，從而讓一個時空晶體在最低的量子態(tài)上形成。“由于這一時空晶體已經(jīng)位于最低量子能態(tài)，其時間序列，從理論上說將會永遠持續(xù)，即便是當宇宙到達熵的極大值，也就是到達熱寂狀態(tài)時，情況也是一樣。張翔是美國加州大學伯克利分校機械工程系教授，他還負責該校納米尺度科學與工程中心的工作。他是這項工作的論文通訊作者，論文標題是?離子阱時空晶體?，該文章發(fā)表在物理評論快報PRL上。有關這種在時間中擁有不連續(xù)序列的晶體概念是在今年年初由諾貝爾獎獲得者，麻省理工學院物理學家弗蘭克維爾澤克FrankWilczek提出的。維爾澤克從數(shù)學上證明了時間晶體可以存在

4、，然而至于如何實際地將它制造出來那么沒有給出方法。然而張翔的研究團隊自從2019年9月份以來便一直致力于不同系統(tǒng)中時間序列的研究，如今他們提出了一種實驗性的設計方案，旨在制造出一種在時間和空間中都呈現(xiàn)離散性質(zhì)的晶體，也就是一種時空晶體。傳統(tǒng)的晶體是三維的固體構(gòu)造，它們由原子或分子互相重復地連接在一起。比較常見的案例是水冰，鹽以及雪花。結(jié)晶是當一個分子系統(tǒng)失去能量，直到其到達較低的能量態(tài)時呈現(xiàn)的結(jié)果。在低能態(tài)的某個點上，連續(xù)的空間對稱將會被打破，此時晶體顯示離散的對稱性，也就意味著其結(jié)果不再在各個方向上對稱，而僅僅在部分方向上保持對稱。李彤昌音譯：TongcangLi是張翔研究團隊的成員，博士后

5、研究員，他說：“在過去的數(shù)十年間，在低維度晶體材料的研究方面獲得了重大進展，如二維石墨烯，一維的納米碳管，還有零維的巴基球。而設計一種超越傳統(tǒng)3維的晶體是物理學中的一項重要理論打破，我們很榮幸能成為首個提出如何去實際制造出一個時空晶體的研究團隊。正如當連續(xù)的空間對稱對打破之后3維晶體將會以最低量子能態(tài)形式呈現(xiàn)一樣，當這種情況發(fā)生時，時空晶體的時間組成也將呈現(xiàn)類似的反響。根據(jù)張翔，李彤昌以及團隊中其他同事們的設計，這一由被捕獲的離子構(gòu)成的空間環(huán)狀體呈現(xiàn)的永久性自旋會導致其周期性地在時間中復制自身，從而形成一個以普通空間晶體形式呈現(xiàn)的，對原時空晶體的時間模擬體。由于其在時間和空間兩方面中都擁有周期

6、性構(gòu)造，我們得到的是一個時空晶體。李彤昌表示：“時空晶體看起來就像一個永動機，乍一看似乎不太可能。他說：“你必須牢記，即便是一個超導體，甚至一個普通的金屬環(huán)，只要位于適宜的環(huán)境條件下，當其呈現(xiàn)量子基態(tài)時它都可以支持持續(xù)的電子流。不過當然了，金屬中的電子流缺乏空間序列，因此不能被用來構(gòu)建時空晶體。李彤昌很快便指出他們所研制的時空晶體并非永動機，因為當位于最低量子能級時，系統(tǒng)并不輸出能量。然而在很多科學研究中，這種時空晶體都將是極其珍貴的。李彤昌表示：“時空晶體本身就是一個多體問題。因此，它可以被作為研究傳統(tǒng)物理學多體問題的新手段。舉例而言，時空晶體是如何出現(xiàn)的?對稱破缺的時間反響是什么?時空晶體中的假粒子是什么?時空晶體中的誤差效應的影響如何?對這些問題的探究將極大地推進我們對于自然界的理解。張鵬音譯：PengZhang是論文合著者，同樣是張翔團隊的成員。他指出時空晶體可能將可以被用來在時空中不同自旋態(tài)下儲存和傳遞量子信息。這種晶體還可能可以在除去捕獲的離子之外其它的物理系統(tǒng)中找到相似之處。他說：“這種相似之處將幫助我們翻開通往完全新穎的技術和設備的大門，它們將具有多樣化的用處。張翔相信目前便可以利用他們提出的方案和最優(yōu)秀的離子阱技術來制造出一個真正的時空晶體，目前他們的團隊正積極尋求和在這方面擁有適宜專業(yè)設備和專業(yè)技能的相關機構(gòu)展開合作。張翔表示：“主要的挑戰(zhàn)將