研究人员首次观察到微尺度半导体上的时间晶体以每秒数十亿次的速率振荡，揭示了GHz范围内极高的非线性动态。

德国柏林保罗德鲁德固体电子研究所(PDI)和阿根廷巴里洛切原子能中心与巴尔塞罗研究所(CAB-IB)的研究人员表示，实验结果发表在《科学》杂志上，建立了以前不相关的非线性激子极化子动力学区域与GHz频率下的相干光力学之间的牢固联系。

该研究采用高质量的半导体样品进行，该样品可作为相干光物质凝聚体的陷阱。

该样品由PDI设计和制造，通过在超高真空条件下堆叠单原子厚度的半导体材料层而制成，最终形成一个微米大小的“盒子”，能够捕获数百万个量子粒子。然后将其转移到CAB-IB进行测试。

当CAB-IB团队将与时间无关的(即连续的)激光对准样本时，他们观察到其中包含的粒子开始以GHz频率振荡，即每秒十亿次。

这是首次在半导体器件上的冷凝物样本中观察到该范围内的持续振荡。

研究人员还发现，可以通过激光的光功率对振荡进行微调，并有可能通过设计半导体原子晶格的20GHz机械振动来稳定频率的自由演变。

根据他们的理论，研究人员发现，进一步增加激光功率时，粒子的振动频率恰好是机械振动频率的一半。

PDI的科学家亚历山大·库兹涅佐夫(AlexanderKuznetsov)说：“这种行为可以被解释为时间晶体的不同表现形式。”

“所展示的结果为开放多体量子系统的物理学增加了一个新的维度，使频率比以前高出几个数量级，并提出了控制新兴动力学的新方法，从而在半导体平台上产生了令人着迷的时间晶体。”

什么是时间晶体?

自从诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克十多年前首次提出他的理论以来，研究人员一直在寻找难以捉摸的“时间晶体”——由粒子和准粒子(如激子、光子和极化子)组成的多体系统，它们在最稳定的量子态下随时间周期性变化。

威尔切克的理论围绕着一个令人费解的问题：多粒子量子系统的最稳定状态能否在时间上具有周期性?也就是说，它能否表现出以明确节律的跳动为特征的时间振荡?

人们很快就发现，时间晶体行为不可能在孤立系统(不与周围环境交换能量的系统)中发生。但这个令人困扰的问题远没有结束，反而促使科学家们去寻找开放系统(即与环境交换能量的系统)可能产生这种时间晶体行为的条件。

尽管现在已经在非平衡系统中多次观察到时间晶体，但有关它们的许多问题仍未确定：它们的内部动力学很大程度上超出了科学家目前的理解，它们的潜在用途仍然停留在理论领域，而不是实践领域。

CAB-IB团队负责人、高级研究员AlejandroFainstein教授表示：“这项工作代表了时间晶体研究方法的典型转变，它提供了一种可能性，可以将这类研究扩展到任意大的局部时间晶体阵列(晶格)，以研究它们的相互作用和同步。”

“通过它，我们能够揭示量子材料的特殊行为。由于所涉及的材料是与集成光子器件兼容的半导体，并且显示的频率与经典和量子信息技术都相关，因此我们设想了其他阶段，我们将尝试控制这些行为以用于应用，包括量子级的光子到射频转换。”

潜在的应用

研究小组表示，此次实验展现出了时间晶体在集成光子学和微波光子学中的应用前景。

PDI高级科学家PauloVenturaSantos表示：“由于GHz声子和近红外光子之间的极化子增强耦合，该结果有可能应用于微波和光频率之间的(量子)转换。”

基于半导体的非线性光电系统(可将光能转换为电能或将电能转换为光能的设备)因其在片上光子学中的潜在应用而备受关注。但由于多体复合体(如时间晶体)决定了它们的电子和光学特性，因此它们的研究难度非常大。

CAB-IB团队的理论负责人GonzaloUsaj表示：“更深入地了解这些多体系统中明确定义的机制(例如PDI/CAB-IB团队帮助确定的机制)，有助于阐明这些内部动态，进而帮助开发控制和利用此类系统进行应用的方法。”