一種被認為只能用量子物理學來理解的物質新階段，可以用簡單得多的經典方法來研究。來自劍橋大學的研究人員使用計算機建模來研究被稱為熱前離散時間晶體（DTCs）的潛在物質新相。人們認為，熱前離散時間晶體的特性依賴於量子物理學：在亞原子尺度上統治粒子的奇怪規律。然而，研究人員發現，基於經典物理學的更簡單的方法，可以用來理解這些神秘的現象。
“我們認為時間晶體從根本上說是量子現象，但事實證明，更簡單的經典方法讓我們對它們有了更多的了解。”- 安德烈-皮齊
了解這些新的物質階段是朝着控制複雜的多體系統邁出的一步，這是一個長期的目標，具有各種潛在的應用，如複雜量子網絡的模擬。這些研究成果在《物理評論快報》和《物理評論B》的兩篇聯合論文中作了報告。
當我們發現新事物時，無論是一個星球、一種動物，還是一種疾病，我們可以通過越來越仔細地觀察它來了解它。首先嘗試較簡單的理論，如果它們不起作用，就嘗試更複雜的理論或方法。
“這就是我們認為的熱前DTC的情況，”劍橋大學卡文迪什實驗室的博士生Andrea Pizzi說，他是兩篇論文的第一作者。”我們認為它們從根本上是量子現象，但事實證明，更簡單的經典方法讓我們對它們有了更多的了解。”
DTC是高度複雜的物理系統，關於它們不尋常的特性仍有許多東西需要學習。就像一個標準的空間晶體如何打破空間翻譯對稱性，因為它的結構在空間的每個地方都不一樣，DTC打破了獨特的時間翻譯對稱性，因為當周期性地”搖晃”時，它們的結構在每次”推動”時都會發生變化。
“你可以把它想成是父母在操場上推着鞦韆上的孩子，”Pizzi說。”通常情況下，父母推孩子，孩子會盪回來，然後父母再推他們。在物理學上，這是一個相當簡單的系統。但是，如果在同一個操場上有多個鞦韆，如果鞦韆上的孩子們彼此牽手，那麼這個系統將變得更加複雜，而且可能出現更多有趣的、不那麼明顯的行為。預熱DTC就是這樣一種行為，在這種行為中，原子的作用有點像鞦韆，例如，每隔第二或第三次推動才’回來’。”
DTC在2012年首次被預測，它開闢了一個新的研究領域，並且已經被研究了各種類型，包括在實驗中。其中，預熱DTC是相對簡單的實現系統，它們不會像通常預期的那樣迅速加熱，而是在很長一段時間內表現出時間結晶行為：它們被搖動得越快，就存活得越久。然而，人們認為它們依靠的是量子現象。
“發展量子理論是很複雜的，即使你能做到，你的模擬能力通常也是非常有限的，因為所需的計算能力大得驚人，”Pizzi說。
現在，Pizzi和他的合著者已經發現，對於熱前DTC，他們可以避免使用過於複雜的量子方法，而是使用更便利的經典方法。這樣一來，研究人員可以以更全面的方式模擬這些現象。例如，他們現在可以模擬更多的基本成分，獲得與實驗最相關的場景，如二維或三維。
研究人員使用計算機模擬，研究了許多相互作用的自旋–就像鞦韆上的孩子–在一個周期性磁場的作用下–就像推動鞦韆的父母–使用經典的哈密爾頓動力學。由此產生的動力學以一種整齊而清晰的方式顯示了熱前DTC的特性：在很長一段時間內，系統的磁化以大於驅動力的周期進行振蕩。
“令人驚訝的是這種方法是如此的乾淨，”Pizzi說。”因為它允許我們看更大的系統，它使發生的事情非常清楚。與我們使用量子方法時不同，我們不必與這個系統打交道來研究它。我們希望這項研究將確立經典哈密頓動力學作為大規模模擬複雜多體系統的合適方法，並在研究非平衡現象方面開闢新的途徑，熱前DTC只是其中一個例子”。