突破！科學家造出時間晶體，并與外部世界成功聯系

2012年的時候，諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克提出了一個顛覆的概念：我們熟悉的水晶、鉆石這類常規晶體，是原子在空間里按固定規律重復排列，自發打破了空間平移對稱性；那有沒有一種量子系統，能自發打破時間平移對稱性呢？

簡單說，就是不用外界持續輸入能量，就能在時間維度上穩定地、周期性地保持運動狀態，這種在時間維度上形成的固定有序排列結構，就是時間晶體。

這個概念剛被提出時引發了很大的爭議，因為它的特性和永動機的概念極為接近。

但根據量子力學的禁戒定理，自發打破連續時間平移對稱性的系統必然處于非平衡態，它并非永恒運動，也完全不違反熱力學定律。

2017年時，科學家在實驗室里首次造出了離散時間晶體，相關成果正式發表于《自然》期刊。

不過過去十幾年里，所有時間晶體實驗都有一個致命局限：它們始終在與環境完全隔離的條件下實現，過往研究僅實現過兩個時間晶體之間的相互耦合，從未與環境中非時間晶體的外部機械、光學等自由度實現可控耦合。

量子系統太過脆弱，一旦失去隔離環境就極易退相干，時間晶體的周期運動會瞬間崩塌。

別說把它接到外部設備上應用了，就連精準調控都難以實現。

而2025年10月發表在《自然·通訊》上的一項研究，徹底打破了這個僵局。

來自芬蘭阿爾托大學的研究團隊，首次將一個連續時間晶體與外部機械振子成功實現可控耦合，他們還把這套系統打造成了和激光干涉引力波天文臺（LIGO）核心技術同源的腔光力學類平臺，給時間晶體真正走出實驗室、變成實用量子工具，鋪出了第一條路。

這里需要先明確一個核心分類：時間晶體分為兩類，打破離散時間平移對稱性的是離散時間晶體，而這項研究中用到的連續時間晶體，打破的是連續時間平移對稱性，也是最接近維爾切克最初提出的時間晶體構想的類型。

這套實驗系統的核心是冷卻到130微開（僅比絕對零度高0.00013開）的氦-3。在這種極端低溫下，氦-3會變成沒有任何粘滯阻力的完美液體，也就是超流體。

研究人員用一個約1毫秒的射頻脈沖，往超流體里注入了大量非平衡磁振子，這是一種磁性準粒子，本質是大量自旋的集體同步運動，就像無數個微觀小指南針綁在一起同步轉圈。

脈沖頻率接近但略高于氦-3的拉莫爾頻率（約833千赫茲），對應的外加磁場強度為25毫特斯拉。

這些磁振子會被超流體的序參量分布與磁場分布，共同形成的陷阱束縛在超流體內部，為后續的凝聚過程提供了基礎。

脈沖結束后，外界就再也沒有給系統輸入任何能量。

但這些磁振子會先在約3毫秒內快速退相，隨后在磁振子子系統內建立部分平衡，約0.1秒內凝聚到陷阱基態，形成玻色-愛因斯坦凝聚體。

所有磁振子抱團進入同一個量子態，鎖定同一個頻率持續進動，自發打破了連續時間平移對稱性，最終形成連續時間晶體。

值得注意的是，這個時間晶體的頻率并非一成不變，它會在半分鐘內緩慢升高約150赫茲后趨于穩定，這是因為磁振子數量會因耗散逐漸減少，進而改變了陷阱的序參量分布。

最令人驚嘆的是，它的相干狀態能維持整整幾分鐘，完成足足10?個周期的運動才會慢慢衰減，這對于動輒納秒、微秒級就退相干的量子系統來說，是一個難以想象的超長相干時長。

最關鍵的突破，是研究人員給這個時間晶體找了個搭檔：超流體液面上的重力波。

這種液面的周期性起伏本質就是一個宏觀機械振子，相當于腔光力學系統里會動的鏡子；而時間晶體本身，則相當于那個光學腔。

研究人員通過近乎水平地移動樣品容器來驅動這個機械模式，液面起伏會改變超流體的序參量分布，進而調制時間晶體的進動頻率，就像鏡子移動會改變光腔長度、從而改變光腔共振頻率一樣。

更特別的是，這種耦合是非線性且可調控的，通過調節容器軸相對重力的靜態傾斜角θ?，就能在二次耦合和線性耦合之間平滑切換。

這項研究還發現了耦合機制的核心差異：時間晶體可通過磁場控制位置，既可以貼近液面，也能處于超流體內部數毫米的體相區域。

靜態傾斜時，體相時間晶體的耦合強度遠小于表面時間晶體。

但動態傾斜時，體相耦合會因超流體流動增強一個數量級以上，且增強幅度與溫度呈指數相關，而表面時間晶體的耦合強度在靜態、動態傾斜下幾乎沒有差異，這是由超流體表面的邊界條件決定的。

實驗同時證實，這個機械模式的共振頻率約為12.5赫茲，與考慮彎月面效應后的理論預期值12.4赫茲高度吻合；且機械模式的耗散程度與超流體中的準粒子密度呈線性關系，直接驗證了時間晶體與液面運動耦合的真實性。

不過要說明的是，目前時間晶體對液面起伏的反作用力約為10?1?牛，遠小于約10??牛的機械阻尼力，二者相差10個數量級，因此暫時無法直接觀測到。

研究人員將這套全新的耦合體系，正式命名為時間晶體光力學。

這次的突破，直接給時間晶體裝上了調節旋鈕和讀數接口。

過去我們無法精準調控、讀取時間晶體的狀態，現在通過機械振子，既能靈活調節它的頻率，還能通過它的頻率變化，反推出機械振子的微小位移，這正是超精密傳感器的核心原理。

LIGO引力波探測器就是用腔光力學技術，測出了比質子直徑還小一萬倍的引力波形變，而時間晶體的超長相干性，能讓這種測量的穩定性和精度再上一個臺階，和傳統腔光力學系統不同，這套體系的信號邊帶寬度由傅里葉時間窗口的長度決定，而非時間晶體的品質因子，這也讓它在精密測量場景中擁有了獨特的優勢。