中国科大观测到里德堡原子时间晶体的分岔现象

中国科大郭光灿院士团队史保森、丁冬生课题组在基于里德堡原子驱动耗散系统的时间晶体研究中取得重要进展，成功观察到时间晶体的分岔现象。相关成果于2月6日以“Bifurcation of time crystals in driven and dissipative Rydberg atomic gas”为题发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。

根据热力学第二定律，系统的熵随着时间的推移不断增加，最终导致系统达到热平衡状态。在驱动耗散的里德堡原子系统中原子之间存在强相互作用，这种相互作用会改变原子系统的能量状态以及动力学演化进程，使得系统的演化不会弛豫到平衡态，反而产生相干振荡。在这一过程中，系统响应的时间平移对称性产生自发破缺，进而形成时间晶体。目前，人们已观察到从热平衡相到时间晶体相的相变过程，然而，不同时间晶体的相变以及分岔效应却始终未能观测到。

图1 物理示意图，（a）为包含多个里德堡态的系统能级图，（b）为实验系统示意图，（c-f）为系统的时间响应以及对应的傅里叶变化振幅和相位分布。通过调节系统参数，系统响应表现出不同频率的自发振荡。

课题组开展了驱动耗散的里德堡原子系统的非平衡动力学研究。在实验过程中，通过施加射频电场对处于不同里德堡能级的原子之间的相互作用进行精准调控，成功地在具有强相互作用的里德堡原子气体中观察到具有不同频率的时间晶体，主要结果如图1所示 。不仅如此，研究团队还在实验中获得了时间晶体随失谐变化的相图。通过分析相图，人们可以清晰地观察到如图2所示的时间晶体从倍周期分岔逐步演变为混沌状态的相变过程。与此同时，通过对系统参数进行精细调控，研究团队进一步观察到时间晶体的双稳态现象，相关结果如图2所示。这些实验现象的发现对于深入理解时间晶体这种特殊的物质状态具有重要意义，丰富了人们对时间晶体的认知，同时该实验系统也为探索量子系统的非平衡动力学提供了关键的实验平台，有望推动相关领域的进一步发展。

图2 时间晶体的分岔效应，（A）系统响应随着失谐变化的相图，（B-E）时间晶体倍周期分岔直至混沌的相变过程；时间晶体随着电压变化的双稳态现象，（a）时间晶体随电压变化的相图，（b）时间晶体频率随电压的变化关系，(c)不同频率的时间晶体傅里叶频谱。

论文的审稿人认为“这项工作的实验结果是值得关注的，其相对简单的实验装置和参数控制对于时间晶体的研究意义重大，推动了该领域的发展”。（The experimental results of this work are noteworthy and the relatively straightforward apparatus and parameter control enabling the investigation of time crystals is significant and pushes the field forword.）。

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通讯作者。该成果得到了科技部重点研发计划项目、基金委重大项目以及联合基金项目、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/s41467-025-56712-1

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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