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2012-10-1 19:32 上傳

這一設想中的時空晶體(a)顯示在時間和空間維度中的週期性構造，而超冷狀態下的離子不斷在一維空間里發生自旋(b)，即便是處於最低能量級也是如此
　　新浪科技訊 香港時間10月1日消息，據物理學家組織網站報導，想像一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。這就是一種被稱作“時空晶體”的裝置背後的意義，這是一種4維晶體，在時空中擁有一種週期性結構。然而，這其中也存在著實際和重要的科學理由去構建一個時空晶體：有了這種4維晶體，科學家們將擁有一種全新的，更加有效的手段對複雜的物理屬性和大量粒子的複雜相互作用行為進行研究，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子世界進行研究，如量子糾纏現象，在這種狀態中，當對其中一個粒子進行操作時，另外一個粒子也會相應地發生變化，即便這兩個粒子之間隔開著巨大的距離。
　　然而這種時空晶體長期以來都僅僅存在於理論物理學家們的頭腦中，卻並沒有任何嚴肅的有關如何將其實際製造出來的手段──直到現在。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，該方案是基於電場離子阱和粒子之間的庫倫斥力構建的。
　　伯克利實驗室材料科學分部研究科學家張翔(音譯：Xiang Zhang)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地形成一個空間環狀晶體。在一個微弱的靜態磁場作用下，這一環狀離子晶體將開始用無止境的轉動。”
　　這一被固定住的離子將會產生時間序列，從而讓一個時空晶體在最低的量子態上形成。“由於這一時空晶體已經位於最低量子能態，其時間序列，從理論上說將會永遠持續，即便是當宇宙達到熵的極大值，也就是達到‘熱寂’狀態時，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》，該文章發表在物理評論快報(PRL)上。
　　有關這種在時間中擁有不連續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(Frank Wilczek)提出的。維爾澤克從數學上証明了時間晶體可以存在，然而至於如何實際地將它製造出來則沒有給出方法。然而張翔的研究團隊自從2011年9月份以來便一直致力於不同系統中時間序列的研究，現在他們提出了一種實驗性的設計方案，旨在製造出一種在時間和空間中都呈現離散性質的晶體，也就是一種時空晶體。
　　傳統的晶體是三維的固體結構，它們由原子或分子相互重複地連接在一起。比較常見的案例是水冰，鹽以及雪花。結晶是當一個分子系統失去能量，直到其達到較低的能量態時呈現的結果。在低能態的某個點上，連續的空間對稱將會被打破，此時晶體顯示離散的對稱性，也就意味著其結果不再在各個方向上對稱，而僅僅在局部方向上保持對稱。李彤昌(音譯：Tongcang Li)是張翔研究團隊的成員，博士後研究員，他說：“在過去的數十年間，在低維度晶體材料的研究方面取得了重大進展，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3維的晶體是物理學中的一項重要理論突破，我們很榮幸能成為首個提出如何去實際製造出一個時空晶體的研究團隊。”
　　正如當連續的空間對稱對打破之後3維晶體將會以最低量子能態形式呈現一樣，當這種情況發生時，時空晶體的時間組成也將呈現類似的反應。根據張翔，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成的空間環狀體呈現的永久性自旋會導致其週期性地在時間中複製自身，從而形成一個以普通空間晶體形式呈現的，對原時空晶體的時間模擬體。由於其在時間和空間兩方面中都擁有週期性構造，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，只要位於合適的環境條件下，當其呈現量子基態時它都可以支援持續的電子流。不過當然了，金屬中的電子流缺乏空間序列，因此不能被用來構建時空晶體。”
　　李彤昌很快便指出他們所研製的時空晶體並非永動機，因為當位於最低量子能級時，系統並不輸出能量。然而在很多科學研究中，這種時空晶體都將是極其寶貴的。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物理學多體問題的新手段。舉例而言，時空晶體是如何出現的？對稱破缺的時間反應是什麼？時空晶體中的假粒子是什麼？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於自然界的理解。”
　　張鵬(音譯：Peng Zhang)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中找到相似之處。他說：“這種相似之處將幫助我們打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途。”張翔相信目前便可以利用他們提出的方案和最優秀的離子阱技術來製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合適專業設備和專業技能的相關機構展開合作。張翔表示：“主要的挑戰將是如何將一個離子環冷卻到基態。這一困難隨著未來幾年離子阱技術的進一步發展將會被解決。由於在此之前還從未有過時空晶體，它的大部分性質我們都是未知的，我們需要對其進行研究。這些研究將會加深我們對於相變和對稱破缺的理解。”(晨風)
來源 香港新浪科技

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