实验装置的方案。图片来源：科学 （2024）。DOI： 10.1126/science.adn7087

研究人员首次观察到微尺度半导体芯片上的时间晶体以每秒数十亿次的速率振荡，揭示了GHz范围内异常高的非线性动力学。

该实验结果发表在《科学》杂志上，在以前不相关的非线性激子极化激子动力学领域与GHz频率下的相干光力学之间建立了牢固的联系，来自德国柏林的Paul-Drude固态电子研究所（PDI）和阿根廷的Centro Atómico Bariloche和Instituto Balseiro（CAB-IB）的研究人员说。

该研究是使用基于半导体的高质量样品进行的，该样品充当相干光物质凝聚物的陷阱。

该样品由PDI设计和制造，是通过在超高真空条件下堆叠一个原子厚的半导体材料层而产生的，最终形成一个微米大小的“盒子”，能够捕获数百万个量子粒子。然后将其转移到CAB-IB进行测试。

当CAB-IB团队将与时间无关的（即连续的）激光对准样品时，他们观察到它所含的粒子开始以GHz频率振荡 - 每秒十亿次。

这是首次在半导体器件上的冷凝物样品中观察到该范围内的持续振荡。

研究人员还发现，振荡可以通过激光的光功率进行微调，并有可能通过半导体原子晶格的20-GHz机械振动来稳定频率的自由演化。

根据他们的理论，研究人员发现，在进一步增加激光功率时，粒子的振动频率恰好是机械振动频率的一半。

“这种行为可以解释为时间晶体的不同表现形式，”PDI的科学家亚历山大·库兹涅佐夫（Alexander Kuznetsov）说。

“所展示的结果为开放多体量子系统的物理学增加了一个新的维度，使频率比以前高出几个数量级，并提出了控制新兴动力学的新方法，这导致了半导体平台上迷人的时间晶体。

什么是时间晶体？

自从诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）十多年前首次提出他的理论以来，研究人员一直在寻找难以捉摸的“时间晶体”——由粒子和准粒子组成的多体系统，如激子、光子和极化子，它们在最稳定的量子态下会随时间周期性变化。

威尔切克的理论围绕着一个令人费解的问题：一个由许多粒子组成的量子系统的最稳定状态能否在时间上是周期性的？也就是说，它能否显示以具有明确节奏的跳动为特征的时间振荡？

人们很快发现，时间晶体行为不会发生在孤立系统（不与周围环境交换能量的系统）中。但是，这个令人不安的问题远没有结束这个主题，而是促使科学家们寻找开放系统（即与环境交换能量的系统）可能发展出这种时间晶体行为的条件。

虽然现在已经多次在失去平衡的系统中观察到时间晶体，但关于它们的许多信息仍未确定：它们的内部动力学在很大程度上超出了科学家目前的理解，它们的潜在用途仍然停留在理论领域而不是实践领域。

“这项工作提出了时间晶体方法的范式转变，提供了将此类研究扩展到任意大阵列（晶格）的局部时间晶体以研究它们的相互作用和同步的可能性，”领导CAB-IB团队的高级研究员兼教授Alejandro Fainstein说。

“通过它，我们已经能够揭示量子材料的特殊行为。由于所涉及的材料是与集成光子器件兼容的半导体，并且显示的频率与经典和量子信息技术相关，因此我们设想了其他阶段，在这些阶段中，我们将尝试控制这些应用行为，包括量子水平的光子到射频转换。

潜在应用

据研究小组称，该实验显示了在集成和微波光子学中使用时间晶体的前景。

“由于GHz声子和近红外光子之间的极化激元增强耦合，这些结果有可能应用于微波和光学频率之间的（量子）转换，”PDI高级科学家Paulo Ventura Santos说。

基于半导体的非线性光电系统（可以将光能转换为电能，反之亦然）因其在片上光子学中的潜在应用而受到特别关注。但是，由于决定其电子和光学特性的多体复合物（例如时间晶体），它们很难研究。

“更深入地了解这些多体系统中明确定义的制度，例如PDI / CAB-IB团队帮助识别的制度，可以帮助阐明这些内部动力学，进而有助于开发控制和利用此类系统的方法，”Gonzalo Usaj说，来自CAB-IB团队的理论负责人。

更多信息：I. Carraro-Haddad 等人，具有内置机械时钟的极化激元凝聚物中的固态连续时间晶体，Science （2024）。DOI： 10.1126/science.adn7087

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