近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）相干原子系统的量子测量与操控团队与清华大学、丹麦奥胡斯大学、维也纳工业大学合作，在时间晶体的研究中取得突破性进展，首次在强相互作用的室温里德堡气体中观测到了持续稳定的时间晶体信号。2024年7 月2日，相关研究成果以“Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas”为题发表在《自然·物理》(Nature Physics)杂志上。

自发对称性破缺是近代物理学最重要的概念之一，它可以描述各种丰富的量子物态形成的机制。作为人们熟知的一个例子，空间平移对称性的自发破缺会使得物质中的原子在空间上形成有序的周期分布，从而导致了晶体的产生。由于空间和时间的等价性，一个自然的问题就是相互作用能否导致时间平移对称性的自发破缺，并在时间维度上结晶？2012年，诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek首次预言了“时间晶体”的存在。处于“时间晶体”相的物理系统会随着时间不断地自我重复，呈现持续周期性振荡行为。自此，关于“时间晶体”的讨论一直是量子多体物理的热点问题。然而，众多的理论分析指出，由于量子涨落，连续“时间晶体”相很难稳定地存在于处于平衡态系统中。

近日，研究团队构建了一种非平衡态系统，首次在强相互作用的室温里德堡气体（图1）中观测到了持续且稳定的时间晶体信号，其振荡幅度在实验观测时间内没有发现任何衰减。不同于传统的有限温体系，他们所构建的系统中里德堡原子间的长程相互作用，相干的外场驱动，以及原子的自发辐射耗散之间的协同作用是时间晶体得以稳定存在的关键。这种特殊的时间晶体也被称为“耗散型时间晶体”。

在此基础上，团队成员测量了系统的淬火动力学，发现在经过一个短暂的弛豫过程后系统才在时间维度上建立起真正的长程序（true long-range order），形成稳定的（时间）晶格结构，如图2所示。同时，作者发现观测到的振荡信号对外界噪声具有很好的抗干扰性，即使人为地添加很强的噪声，时间晶体相也不会完全被破坏。进一步，团队与（前）奥胡斯大学的杨帆博士和Thomas Pohl教授展开理论合作，揭示了该系统中形成时间晶体的另一关键机制：多种里德堡组分之间的相互竞争，并进行了实验验证。

该研究成果第一作者为量子院共建单位清华大学物理系博士生吴晓凌、王竺卿和杨帆（现为奥地利因斯布鲁克大学postdoc研究员）。共同通讯作者为量子院助理研究员李相良、奥地利维也纳工业大学Thomas Pohl教授、量子院兼聘研究员/清华大学尤力教授。其他合作者还包括清华大学物理系博士生高若晨、梁超，和郑盟锟副教授。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、量子院和合肥国家实验室等的资助。