维也纳工业大学的科学家发现，量子关联可以稳定时间晶体——这是一种在没有外部驱动源的情况下在时间维度上振荡的结构。与先前的假设相反，量子涨落促进而非阻碍了时间晶体的形成。该团队利用激光囚禁晶格，展示了纯粹源于粒子相互作用的自组织节律行为。这一发现可能会彻底改变量子技术的设计。
然而，秩序也可以以一种更令人惊讶的方式出现——自发地，无需任何外部计时器。当无数粒子以复杂的方式相互作用时，它们可以自发地形成重复的节奏，而不是表现出混沌行为。这种现象被称为“时间晶体”。维也纳工业大学的研究人员现已证明，时间晶体可以通过一种科学家此前认为不可能的完全不同的机制形成。他们的计算表明，粒子间的量子关联——曾被认为会破坏这些模式——实际上有助于稳定它们。这一发现为量子多粒子系统中集体行为的涌现提供了一个引人注目的新视角。
空间晶体与时间晶体
当液体冻结时，其粒子从无序转变为有序。在液态下，粒子自由随机地运动，不呈现特定的模式。随着液体固化，粒子锁定在精确的位置，形成规则且重复的空间结构——即晶体。液体在各个方向上都是均匀的，但在晶体中这种对称性发生了破缺：它获得了结构，某些方向变得与其他方向截然不同。
类似的对称性破缺能否发生在时间而非空间维度上？一个最初在每一时刻表现都相同的量子系统，能否自发地发展出重复的时间模式——一种标志着时间本身秩序涌现的节奏？
量子涨落：有害还是有益？
“这个问题在量子物理学中一直是深入研究的主题，已有十余年，”维也纳工业大学理论物理研究所的Felix Russo说道，他目前正在Thomas Pohl教授的团队中进行博士论文研究。事实上，研究表明所谓的“时间晶体”是存在的——即在没有外部强加节拍的情况下建立起时间节律的系统。
“然而，人们过去认为这仅在非常特定的系统中才可能实现，例如量子气体，其物理性质可以通过平均值很好地描述，而无需考虑量子物理学中不可避免的随机涨落，”Felix Russo说，“我们现在已经证明，正是粒子间的量子物理关联——此前被认为会阻碍时间晶体形成的因素——反而能导致时间晶体相的涌现。”
粒子间复杂的量子相互作用引发了无法在单个粒子层面上解释的集体行为——这类似于熄灭的蜡烛产生的烟雾有时会形成一系列规则的烟圈；这种现象的节律并非由外部支配，也无法通过单个烟尘粒子来理解。
激光晶格中的粒子
“我们正在研究由激光束束缚的粒子二维晶格，”Felix Russo说，“在此我们可以证明，由于粒子间的量子相互作用，晶格的状态开始振荡。”
这项研究为更好地理解量子多体系统理论提供了契机——为新型量子技术或高精度量子测量技术铺平了道路。