将量子多体系统与周期性 Floquet 驱动相结合的实验平台的物理模型。图片来源：丁教授的团队

一个团队在周期性驱动的里德堡原子耗散系统中实验观察到高阶和分数离散时间晶体 （DTC）。他们的研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该团队由中国科学院中国科学技术大学 （USTC） 的丁东升教授领导。

自发对称性打破是解释物质相变的关键机制，负责形成有序结构，例如空间晶体。自从诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 教授提出时间晶体以来，它们在理论和实验上都取得了长足的进步。

在理论方面，研究人员引入了 DTC 并证明了它们在周期性驱动系统中的出现。在实验中，已经在各种量子平台中观察到 DTC，例如囚禁离子、超冷原子、固态自旋系统和超导量子比特。

在这项工作中，丁教授的团队构建了一个将量子多体系统与周期性 Floquet 驱动相结合的实验平台。多体系统由激发到高能里德堡态的相互作用的铯原子组成。

通过采用三光子电磁感应透明 （EIT） 方案，他们准备并测量了里德堡原子群。同时，施加周期性脉冲射频场来调制里德堡能级并使系统失去平衡。

根据他们的实验设置，该团队观察到高阶 DTC，其中系统的响应表现出驾驶周期的整数倍。这些 DTC 表现出对扰动的稳健性，在小范围的实验条件下持续存在。此外，该团队还确定了相邻整数 DTC 之间的相变。

该团队进一步发现了分数 DTC，其中系统在驾驶期间的小数倍处表现出周期性反应。这些分数 DTC 是由于对称性分解成分数时间结构而产生的，表现出对扰动的稳定性。

这项研究代表了时间晶体研究的突破，扩大了对高阶和分数 DTC 的理解。这项工作为未来探索驱动量子系统中错综复杂的时间对称和非平衡现象铺平了道路。

更多信息：Bang Liu 等人，Floquet 驱动的 Rydberg 原子中的高阶和分数离散时间晶体，Nature Communications （2024）。DOI：10.1038/s41467-024-53712-5

期刊信息： Nature Communications