空间晶体和时间晶体的核心联系在于它们都体现了“对称性破缺”这一深刻的物理学原理,只是发生的维度不同:一个在空间,一个在时间。空间晶体是静态的、空间上的有序,而时间晶体是动态的、时间上的有序。时间晶体的发现极大地拓展了我们对物质相和自然规律的理解。最近有研究在经典系统(液晶)中实现了连续时空晶体,同时打破空间和时间对称性。
*时空晶体
空间晶体:原子/分子在空间中周期性排列,打破空间平移对称性(如钻石、食盐)。
时间晶体:系统在时间上呈现周期性运动,打破时间平移对称性,且该运动是基态属性,无需能量输入。
2012年由Frank Wilczek提出,但最初概念被证明难以实现。后来出现了“离散时间晶体”(需周期性驱动)和“连续时间晶体”(无需周期性驱动),但多数存在于量子系统中。
时空晶体的特性
1. 满足时间晶体的严格判据
自发打破时间平移对称性:时间相位随机分布(0~2π),不依赖于外部驱动。
对扰动具有鲁棒性:即使受到时空扰动(如光强随机变化),晶体结构也能恢复。
具有时空长程有序:时间关联函数呈现幂律衰减,类似s mectic液晶中的准长程有序。
2. 拓扑保护与多体相互作用
孤子具有拓扑电荷(±1),只能成对湮灭,具有稳定性。
孤子之间通过弹性相互作用形成“拓扑弹性键”,构成多体系统。
*时间晶体(Time Crystal)
判断一个系统是否是真正的时间晶体(Time Crystal),而不仅仅是普通的周期性运动,需要满足一系列非常严格的理论和实验判据。
根据近年来时间晶体研究领域的共识,一个真正的时间晶体必须满足以下几个关键条件:
1. 自发的时间平移对称性破缺(Spontaneous Breaking of Time-Translation Symmetry)
是什么:系统处于基态(能量最低的状态) 或稳态,但其物理量(如磁化强度、分子取向、偏振光强度)却表现出稳定的周期性振荡。
不是什么:这种振荡不能是由外部周期性驱动(如交变电场、脉冲激光)直接“强迫”产生的。它必须是系统内部自发产生的集体行为。
如何验证:在实验中,移除所有外部周期性驱动后,系统仍能维持其周期性振荡。
2. 时间相位的随机性与鲁棒性(Random Time Phase & Robustness)
时间相位的随机性:当你在不同时间启动系统(或扰动后重启),振荡的起始相位(即时间零点)应该是随机分布在0到2π之间的。这表明振荡的相位不是由外部驱动设定的,而是系统自发选择的。
对扰动的鲁棒性(Robustness):当系统受到外部** temporal perturbations**(时间扰动,如光照强度的随机波动)时,其振荡周期和相位应保持稳定,不会被轻易打乱。这体现了时间晶体的“刚性”,类似于空间晶体对缺陷的抵抗能力。
3. 长程时间有序(Long-Range Temporal Order)
系统振荡的时间关联函数(Time Correlation Function) 应衰减得非常慢,表现出“长程”或“准长程”时间有序。
如何验证:计算物理量Φ(t)的自相关函数
G(t)=⟨Φ(t)Φ(0)⟩−⟨Φ(t)⟩⟨Φ(0)⟩。
对于理想晶体:G(t)应为一个常数(永不衰减)。
对于时间晶体:G(t)通常表现为幂律衰减(Power-law decay),即
G(t)∝t^−ζ ,其中ζ是一个很小的指数。这被称为“准长程有序”,类似于一维晶体或液晶s mectic相中的情况。
[1] Zhao, H., S malyukh, I.I. Space-time crystals from particle-like topological solitons. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1