基于光子超材料的连续时间晶体的实现
发布时间：2023-05-23 08:00:00 阅读数： 93
最近发表在《自然-物理学》杂志上的一篇论文展示了光子超材料/经典超材料纳米结构向显示连续时间晶体相同定义特征的状态过渡。
连续时间晶体的重要性
时间晶体是一种具有打破时间转换对称性的新物质相，近年来受到了极大的关注。在凝聚态物理学中，时间晶体是一种量子多体系统，其最低能量状态是粒子保持连续振荡运动的状态。
离散时间晶体在外部调制参数驱动的影响下显示出离散的时间转换对称性。这种类型的时间晶体已经在不同的平台上实现，包括钻石中的无序自旋杂质集合、被困原子离子的相互作用自旋链、磷酸二氢铵晶体中的核自旋晶格以及磁子的玻色-爱因斯坦凝聚体。
多体定位的离散时间晶体状态的关键特征也已经在量子处理器中的超导量子比特阵列和基于碳-13核自旋的单独可控量子模拟平台上被观察到。
最近，在一个光腔内的原子玻色-爱因斯坦凝聚物中观察到了一个连续打破时间转换对称性的量子时间晶体。该量子连续时间晶体表现为在光泵浦下出现的腔内自发光子数振荡。泵浦激光被连续操作以保持连续时间转换的对称性，同时诱导过渡到对称性被打破的状态。
连续时间晶体与离散时间晶体相比，更适合于研究量子模拟阵列和悬浮粒子中的拓扑和纠缠相位，因为它在对与时间无关的外部刺激的反应中自发过渡到稳健的振荡状态。
基于光子超材料的连续时间晶体
在这项研究中，研究人员展示了一个光子超材料/二维（2D）周期性质子超分子晶格的自发转变，该晶格支持在从半导体膜上切割下来的双钳柔性纳米线束上，当使用刺激超分子之间相互作用的相干光进行照明时，在室温下形成了连续的光学透射率振荡状态。
实验样品是用聚焦离子束研磨法从一个金涂层的氮化硅纳米膜上合成的。此外，质子元分子/Π型排列的三个金纳米棒被支持，纳米线的相互位移可以强烈影响元分子的共振质子散射特性。
晶格的光学和机械性能之间的这种耦合允许通过监测晶格的透射率对其状态进行光学检测。最近的研究表明，类似结构中的皮米级热力学波动可以对透射光和散射光进行可测量的调制。
主要研究结果
人工光子材料被成功地驱动到一种状态，显示出连续时间晶体的所有主要特征，包括连续打破时间转换对称性。
当入射光功率超过阈值水平时，光谱分散的单个纳米线热波动在受照集合上成为同步的空间相干振荡。
与时间无关的相干光照明形式的激励，与元分子质子模式产生共振，自发地引发了强大的周期性光学透射率振荡。
振荡是由于电磁偶极-偶极相互作用和入射光诱导的元分子之间的多体相互作用而产生的，单个纳米线的热振荡被被照亮的集合体的超辐射、相干运动取代。
观察到了向相干振荡体系的一阶相变。此外，透射率振荡对极小的扰动是稳健的，并且在不同的实现中检测到了随机振荡阶段。
此外，同步振荡的不确定持久性和受照组的同步性分别表明了时间上的长程秩序和空间上的长程秩序。
结论和未来展望
研究人员利用纳米光学机械平台实现的控制和简单性提供了一个新的动态多体系统类别，将自发对称性破坏和长程秩序的概念扩大到了时间领域。
因此，这项研究为进一步研究经典系统内强相关体系中的动态多体态铺平了道路，可以补充自旋和冷原子平台，在这些平台上可以研究费米子/玻色子物质的多体量子态。
这些研究可以通过直接进入纳米线的位置，使用原子尺度的技术来检测定位和纳米尺度的悬臂和弦的运动而得到促进。该平台还可以实现新的光子和光学设备的开发。
在光子技术中，光诱导的阶梯状过渡到强大的超辐射模式可以被利用到新的光控调制器和频率混合器中。这种触发也可用于新的全光计时应用中，其中振荡周期在触发后被计数。此外，自发振荡的随机相位可以在基于经典平台的全光伪随机数生成器中得到利用。
参考阅读
Fadelli, I. (2023). The realization of a continuous time crystal based on a photonic metamaterial [Online] Available at https://phys.org/news/2023-05-crystal-based-photonic-metamaterial.html (Accessed on 16 May 2023)
Liu, T., Ou, J. -Y., MacDonald, K. F., Zheludev, N. (2023). Photonic metamaterial analog of a continuous time crystal. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-023-02023-5
Wilczek, F. (2012). Quantum Time Crystals. Physical Review Letters, 109. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.160401
作者：Samudrapom Dam
