晶体是原子在空间中以规则间隔重复排列的产物：晶体在每一点看起来都一模一样。2012 年，诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 提出了一个问题：是否也存在时间晶体——一种不是在空间而是在时间中重复的物体?即使没有对系统施加任何特定的节奏，并且粒子之间的相互作用完全独立于时间，是否也有可能出现周期性节奏?

多年来，弗兰克·维尔切克的想法引发了不少争议，有人认为时间晶体在原理上根本不可能实现，也有人试图寻找漏洞，在某些特殊条件下实现时间晶体。

现在，在奥地利维也纳技术大学的支持下，中国清华大学成功创造出一种格外引人注目的时间晶体。

研究团队利用激光和特殊类型的原子，即里德堡原子，其直径比正常原子大几百倍。研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

自发对称性破缺

时钟的滴答声也是时间周期运动的一个例子。然而，它不会自动发生：必须有人给时钟上发条，并在某个时间启动它。这个启动时间决定了滴答声的时间。时间晶体则不同：

按照威尔切克的想法，周期性应该是自发产生的，尽管不同时间点之间实际上并不存在物理差异。

维也纳技术大学理论物理研究所的托马斯·波尔教授解释说：“滴答频率由系统的物理特性预先确定，但滴答发生的时间却完全随机;这被称为自发对称性破缺。”

波尔负责的这项研究工作是理论部分，目前这项研究已在中国清华大学促成了时间晶体的发现：激光照射到一个充满铷原子气体的玻璃容器中。测量到达容器另一端的光信号强度。

“这实际上是一个静态实验，没有对系统施加任何特定的节奏，”波尔说。“光与原子之间的相互作用始终相同，激光束具有恒定的强度。但令人惊讶的是，事实证明，到达玻璃池另一端的强度开始以高度规则的模式振荡。”

巨原子

实验的关键在于以特殊方式准备原子：原子的电子可以沿着不同的路径绕原子核旋转，这取决于它们所拥有的能量。如果给原子最外层电子增加能量，它与原子核的距离就会变得非常大。

在极端情况下，它与原子核之间的距离可能比平常远几百倍。这样就产生了具有巨大电子壳层的原子，即所谓的里德伯原子。

“如果我们玻璃容器中的原子处于这种里德堡状态，并且它们的直径变得非常大，那么这些原子之间的力也会变得非常大，”波尔解释道。

“这反过来又改变了它们与激光相互作用的方式。如果你选择激光，使它能够同时激发每个原子中的两个不同的里德堡态，那么就会产生一个反馈回路，导致两个原子态之间发生自发振荡。这反过来也会导致振荡光吸收。”

这些巨大的原子会自行产生有规律的节拍，而这种节拍又转化为到达玻璃容器末端的光强度的节奏。

波尔说：“我们在这里创建了一个新系统，它为我们加深对时间晶体现象的理解提供了一个强大的平台，它非常接近弗兰克·威尔切克最初的想法。”

“例如，精确的自持振荡可用于传感器。具有里德堡态的巨原子已经在其他情况下成功用于此类技术。”