鑽石內的時間奇蹟：科學家打造全新物質相態

華盛頓大學的物理學家們在量子力學領域取得了重大突破，成功創造出一種名為「時間晶體」的全新物質相態，甚至更進一步開發出「時間準晶體」。這些突破性的材料挑戰了傳統物理學的認知，能夠維持永恆運動，並有望徹底改變數子計算與精密計時技術。它們提供了一種穩定且節能的方式來測量時間和儲存量子資訊。

這項研究由華盛頓大學聖路易斯分校（WashU）的物理學家團隊主導，成員包括物理學教授Kater Murch、助理教授Chong Zu，以及研究生Guanghui He、Ruotian Reginald Gong、Changyu Yao和Zhongyuan Liu。此外，團隊還與麻省理工學院的Bingtian Ye和哈佛大學的Norman Yao合作。研究成果於3月12日發表在頂尖期刊《物理評論X》（Physical Review X）上。

要理解時間晶體，可以從我們熟悉的鑽石或石英晶體開始。這些礦物的形狀與光澤來自其高度有序的結構。例如，鑽石中的碳原子相互作用，形成重複且可預測的排列。Chong Zu解釋道，就像普通晶體中的原子在空間中重複排列一樣，時間晶體中的粒子則在時間上重複其模式。換句話說，它們以恆定的頻率振動或「滴答」，使其在四維空間中結晶化——包括三個物理維度和時間維度。

時間晶體就像一個永遠不需要上發條或更換電池的時鐘。理論上，它應該能夠永遠運作下去。然而，在實際操作中，時間晶體非常脆弱且對環境敏感。Zu表示：「我們能夠觀察到數百個週期，這已經相當令人印象深刻。」

時間晶體的概念並非全新，第一顆時間晶體於2016年在馬裡蘭大學誕生。而WashU團隊則更進一步，創造出更為驚人的「時間準晶體」。Zu指出：「這是一種全新的物質相態。」在材料科學中，準晶體是近年來發現的一種高度有序的物質，其原子排列並非在所有維度上都遵循相同的模式。論文第一作者Guanghui He解釋道，時間準晶體的不同維度以不同頻率振動，其節奏非常精確且高度有序，但更像是和絃而非單一音符。

團隊在毫米大小的鑽石內部打造了這些準晶體。他們用高能氮束轟擊鑽石，擊出碳原子，留下原子大小的空位。電子會進入這些空位，並與鄰近的電子產生量子級別的相互作用。Zu和團隊曾用類似的方法開發量子鑽石顯微鏡。時間準晶體由鑽石中超過一百萬個這樣的空位組成，每個準晶體大約一微米（千分之一毫米）大小，肉眼無法看見。Bingtian Ye表示：「我們用微波脈衝啟動時間準晶體的節奏，微波有助於在時間中創造秩序。」

時間晶體和準晶體的存在證實了量子力學的一些基本理論，因此具有重要的科學價值。但它們也可能有實際應用。由於它們對磁力等量子力敏感，時間晶體可作為長效的量子感測器，無需充電。此外，它們還為精密計時提供了新途徑。手錶和電子裝置中的石英晶體振盪器容易漂移，需要校準，而時間晶體則能以極低的能量損耗維持穩定的「滴答」。

時間準晶體感測器甚至能同時測量多種頻率，提供量子材料生命週期的完整影象。不過，研究人員首先需要更好地理解如何讀取和追蹤訊號。目前，他們還無法用時間晶體精確計時，只能讓它「滴答」。

由於時間晶體理論上可以永遠運作而不損失能量，科學界對將其應用於量子計算機充滿興趣。Zu表示：「它們可以長時間儲存量子記憶，類似於量子版的RAM。雖然距離這項技術還很遙遠，但創造時間準晶體是關鍵的第一步。」

參考文獻：Guanghui He, Bingtian Ye, Ruotian Gong, Changyu Yao, Zhongyuan Liu, Kater W. Murch, Norman Y. Yao and Chong Zu, Experimental Realization of Discrete Time Quasicrystals, Physical Review X, 12 March 2025. DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011055