近日，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所趙宏政助理教授課題組與合作者在非平衡物相及量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊利用金剛石中的碳-13核自旋作為量子模擬器，通過含時驅(qū)動實現(xiàn)一類全新非平衡物相-時間回旋晶體。2025年10月14日，相關(guān)成果以《時間回旋晶體的實驗觀測》（“Experimental observation of a time rondeau crystal”）為題，在線發(fā)表于《自然-物理》（Nature Physics）上。

將有序和無序的概念定義為自然界的組織原則，是科學(xué)和哲學(xué)最古老的探索之一。水以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)存在是日常生活中常見的現(xiàn)象，但這也體現(xiàn)了這些概念的復(fù)雜性。在高壓下，液相和氣相的界限變得模糊。固態(tài)的冰相，既展現(xiàn)出長程空間有序，也同時具有短程無序：氧離子形成了具有長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，但氧離子中的質(zhì)子在較短的長度尺度上表現(xiàn)出高度的無序性。近年來，人們對序的研究從平衡態(tài)拓展至非平衡系統(tǒng)中，極大豐富了可能涌現(xiàn)的全新物質(zhì)狀態(tài)。一個典型的例子就是時間晶體（圖a，ii）：在周期性驅(qū)動（Floquet）的多體系統(tǒng)中，空間平移以及離散時間平移不變性被打破，因此時間晶體在空間和時間上都展現(xiàn)出長程有序性。然而，一個亟待解決的重要問題是，非平衡系統(tǒng)是否能夠超越傳統(tǒng)的Floquet框架，展現(xiàn)出更加豐富的時空結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊揭示了由非周期但有一定結(jié)構(gòu)的驅(qū)動所導(dǎo)致的全新的時間序。如圖a所示，類似于空間中的準(zhǔn)晶體可以通過動量空間的衍射圖樣來進(jìn)行系統(tǒng)性研究，團(tuán)隊提出了一種基于驅(qū)動的連續(xù)傅里葉譜的時間序分類方法。

原理示意圖

此項研究表明，打破驅(qū)動中的周期性可以產(chǎn)生奇特形式的時間序；這包括確定性的準(zhǔn)周期性驅(qū)動所誘發(fā)的時間準(zhǔn)晶體（圖a，iii），到完全無結(jié)構(gòu)的隨機(jī)驅(qū)動（圖a，v）。介于兩者之間的是結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)驅(qū)動（圖a，iv），可以實現(xiàn)短時間尺度上的無序與長時間尺度上的有序共存。這種長程有序和短程無序的共存可以在固態(tài)晶體（特別是冰）的空間結(jié)構(gòu)中觀察到。直到最近，趙宏政和合作者在理論上預(yù)言了它在時間中的存在。在古典音樂中，由一個重復(fù)主題（這里對應(yīng)長時間上的有序）與一個對比鮮明的變奏主題（此處對應(yīng)短時間中無序）交替組成的樂段被稱為回旋曲。音樂中最著名的回旋曲例子之一是莫扎特的《土耳其進(jìn)行曲》。因此，團(tuán)隊將這種新的時間序稱為回旋序。此項工作的關(guān)鍵，便是在超極化的碳-13核自旋（圖b）的宏觀系統(tǒng)中，成功觀測到了這種時間回旋序（圖c，d）并系統(tǒng)分析了其性質(zhì)，包括傅里葉譜（圖e）、存活壽命以及如何進(jìn)行信息的編碼等。

此項工作將量子調(diào)控的手段從周期性驅(qū)動拓展至非周期調(diào)控，極大豐富了非平衡系統(tǒng)中的新奇量子多體物相，為構(gòu)建量子模擬以及量子計算平臺提供了強(qiáng)有力的工具，具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用前景。

美國加州大學(xué)伯克利分校的博士生Leo Moon以及德國馬克斯-普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的博士生Paul Schindler為共同第一作者，趙宏政、馬普所Marin Bukov研究員以及加州大學(xué)伯克利分校Ashok Ajoy教授為共同通訊作者。