科学家利用声波使微小珠粒悬浮于空中，创造了一种新型时间晶体。这些粒子以单向且不平衡的方式相互作用，打破了常规的运动规律，形成了稳定且重复的节奏。该系统出奇地简单，却揭示了影响深远的复杂物理学原理。它可能推动量子计算的发展，并加深我们对生物计时系统的理解。
随着时间的推移，研究人员已经发现了几种类型的时间晶体，每种都具有独特的性质，可能在不同应用中发挥作用。
一种新型声悬浮时间晶体
纽约大学的物理学家们现已创造出一种新型的时间晶体。在这个系统中，微小粒子悬浮在声波构成的气垫上，并通过交换声波进行相互作用。在这些相互作用过程中，粒子的行为方式似乎打破了牛顿第三运动定律，该定律指出，每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力（即力总是成对平衡出现）。然而，在这个实验中，粒子并未遵循这种平衡。相反，它们以非互易的方式运动，这意味着它们的相互作用是不均衡的，且并非镜像对称。
这项发表在《物理评论快报》上的研究结果，为时间晶体在技术和工业中的应用指出了新的可能性。与之前的许多实验不同，这个系统可以用肉眼直接观察，并且运行在一个紧凑的设备上，该设备约一英尺高，可握在手中。
“时间晶体之所以迷人，不仅因为其潜在的可能性，还因为它们看起来如此奇特和复杂，”纽约大学软物质研究中心主任、该论文的资深作者、物理学教授大卫·格里尔说，“我们的系统之所以引人注目，是因为它极其简单。”
对生物学与昼夜节律的启示
这项与纽约大学研究生米娅·莫雷尔和本科生莉拉·埃利奥特共同进行的研究，也可能帮助科学家更好地理解诸如昼夜节律等生物计时系统。与这些时间晶体类似，体内的一些生化过程也涉及非互易相互作用，包括身体分解食物的方式。
声波如何使粒子悬浮
这种时间晶体本身由小的聚苯乙烯泡沫珠（类似于包装材料）构成，这些珠子通过声波被固定在特定位置。这个装置充当了一个“声悬浮器”，使珠子能够悬停在空中保持静止。
“声波会对粒子施加力——就像池塘表面的波浪能对漂浮的树叶施加力一样，”莫雷尔解释道。“我们可以通过将物体浸入一种称为驻波的声场中，使其克服重力悬浮起来。”
当悬浮的珠子相互作用时，它们通过彼此之间散射声波来实现。
不均衡的力与对称性破缺
较大的珠子比较小的珠子散射更多的声波。因此，较大粒子对较小粒子的影响强度，要大于较小粒子对较大粒子的影响强度。这造成了它们相互影响方式的不平衡。
“想象两艘不同尺寸的渡轮靠近码头，”莫雷尔说。“每一艘都会产生水波，推动另一艘——但推动的程度取决于它们的大小。”
由于这些相互作用是通过声波传递的，它们不受牛顿第三定律的限制。这使得珠子能够在悬空时自主开始振荡，产生一种稳定的节奏，反映出这些不寻常的作用力。
这项研究得到了美国国家科学基金会（DMR-21043837, DMR-2428983）的资助。