我們都見過晶體，無論是簡單的鹽粒或糖粒還是精緻美麗的紫水晶。這些晶體由原子或分子組成，以對稱的三維模式重複，被稱為晶格，其中原子在空間中佔據特定的點。如通過形成一個周期性的晶格，鑽石中的碳原子打破了它們所在空間的對稱性。物理學家將此稱為“打破對稱性”。
科學家們最近發現，類似的效果也可以在時間中得到見證。對稱性打破，顧名思義，只有在存在某種對稱性的地方才能出現。在時間領域，一個周期性變化的力量或能量源自然產生一個時間模式。
當一個由這種力驅動的系統面臨一個似曾相識的時刻時，對稱性就會被打破，但跟該力的周期不同。在過去十年中，“時間晶體”被作為物質的一個新階段來追求，最近在隔離系統中的精心實驗條件下被觀察到。這些實驗需要極低的溫度或其他嚴格的條件，以減少不必要的外部影響。
為了讓科學家們更多地了解時間晶體並在技術中運用它們的潛力，他們需要找到產生時間晶體狀態並在實驗室外保持其穩定性的方法。
本周發表在《Nature Communications》上的由加州大學河濱分校(UCR)領導的前沿研究已經在一個沒有與周圍環境隔離的系統中觀察到了時間晶體。這一重大成就使科學家們離開發用於現實世界應用的時間晶體又近了一步。
這項研究的論文第一作者Hossein Taheri說道：“當你的實驗系統跟周圍環境有能量交換時，耗散和噪聲會攜手破壞時間秩序。在我們的光子平台上，系統在增益和損耗之間取得了平衡，以創造和保存時間晶體。”
全光時間晶體是通過一個直徑為一毫米的盤狀氟化鎂玻璃諧振器實現。當被兩束激光轟擊時，研究人員觀察到次諧波尖峰或兩束激光之間的頻率音，這表明時間對稱性被打破，時間晶體產生。
UCR領導的團隊利用了一種叫做自注入鎖定的技術，它將兩束激光鎖定在諧振器上以實現對環境影響的穩健性。這個系統的時間重複狀態的特徵可以很容易地在頻域中得到測量。因此，擬議的平台簡化了對這種新物質階段的研究。
在不需要低溫的情況下，該系統可以被移到複雜的實驗室之外進行現場應用。這種應用之一可能是對時間的高度精確測量。由於頻率和時間是彼此的數學反數，所以測量頻率的準確性能實現精確的時間測量。
Taheri說道：“我們希望這個光子系統能被用於具有卓越穩定性的緊湊型和輕型射頻源以及用於精確計時。”