中国科大观测到里德堡原子高阶和分数离散时间晶体

中国科大中国科学院量子信息重点实验室丁冬生课题组在里德堡原子周期性驱动耗散系统的研究中取得重要进展。该课题组在里德堡原子驱动耗散系统中观察到了高阶和分数离散时间晶体。相关成果11月10日以“Higher-order and fractional discrete time crystals in Floquet-driven Rydberg atoms”为题发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。

自发对称性破缺是解释物质相变的重要机制，比如空间上的平移对称性的自发破缺，使得物体形成了空间上的有序结构，也就是空间晶体。同样，研究人员提出时间上是否能发生类似的对称性自发破缺，从而形成时间晶体。最初，这个概念由诺贝尔物理学奖获得者FrankWilczek教授提出，它描述物质的时间和空间上的特征周期性地复现。研究人员在实验和理论上都对此进行了大量研究，在理论上提出了离散时间晶体（DTC）的概念并且在实验系统中观测到了离散时间晶体的存在。离散时间晶体，就是满足时间上离散平移对称性的自发破缺，表现为实验系统的响应周期是驱动周期的整数倍，如图1所示：

图 1 物理示意图，（a）为包含两个里德堡态的系统能级图，（b）为驱动耗散的系统示意图，（c）为系统在周期为T的射频驱动下的响应。对于一般的系统来说，系统响应的周期往往和驱动周期保持一致，但是当系统处于离散时间晶体相时，系统的响应周期表现为驱动周期的整数倍，如图中的2-DTC，3-DTC。

有趣的是，当物理系统远离热平衡状态时，人们可以观察到稳定的耗散时间晶体、预热离散时间晶体等奇异的物态现象。强相互作用的里德堡原子系统是研究非平衡动力学的理想平台之一。丁冬生、刘邦等人通过在周期性驱动的里德堡原子系统中，通过调节系统参数，观察到了强相互作用里德堡原子气体中的高阶以及分数离散时间晶体。在实验上得到了不同离散时间晶体的相图，观察到了整数阶离散时间晶体的相变过程，如图2所示。同时通过扫描系统参数，观察到了分数时间晶体存在的证据，如图3所示。对于这些现象的研究将有助于我们加深对时间晶体这种特殊物质状态的理解，为探究量子系统的非平衡动力学提供一个平台。

图2 2-DTC和3-DTC以及之间的相变，（a）2-DTC和3-DTC的相图，（b-e）2-DTC到3-DTC之间的相变过程。

图3分数离散时间晶体，（a-c）分数离散时间晶体的相图，（d-f）分数离散时间晶体的傅里叶频谱。

该工作得到了审稿人的高度评价：他们观察到离散时间晶体证明了超越单一离散时间平移对称性破缺的能力，为热原子气体简单的平台中的非平衡动力学提供了新的见解。量子多体系统中更复杂的时间对称性的存在扩展我们在该领域的知识，并为非平衡物理学的新探索铺平道路。（“They observe the breaking of discrete time translation symmetry into higher-order and non-integer categories, which demonstrates the ability for complex temporal symmetries beyond single discrete time translation and offers new insights into non-equilibrium dynamics in a simple platform of thermal atomic gas. The potential existence of more intricate temporal symmetries in quantum many-body systems is highlighted, which could significantly expand our knowledge in the field and pave the way for new explorations into non-equilibrium physics.”）

中国科大博士研究生刘邦为本文的第一作者，丁冬生教授为本文的独立通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53712-5

（光学与光学工程系、科研部）

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