时间晶体

两支研究团队近期宣布，他们发明了一种名叫“时间晶体”的新型物质状态，其中原子不按空间，而是按时间排列。科学家一度认为这种物质不可能真正存在，但近日两项研究各自独立地造出了时间晶体。

物理学家指出，这些晶体“为我们敞开了非均衡态物质的大门”，未来或能用于研制超级安全的量子计算机。

在冰和钻石等常见晶体中，原子在空间内按一定规律重复排列。而在时间晶体中，原子在时间轴上进行周期性排列。研究人员指出，时间晶体的特性也与天然晶体大相径庭。

马里兰大学联合量子研究所与加州大学伯克利分校组成的合作团队，在一条由10个镱离子构成的离子链中，用激光诱发了三种不同反应，从而造出了时间晶体。他们用激光脉冲轰击原子离子，激发出磁场，然后用另一道激光稍微翻转原子的自旋方向。这一过程不断重复，最终创造出了按时间排列的重复翻转结构。此外，该团队发现这些离子的响应频率较低，正好为激光脉冲频率的一半。就好像一秒敲两次琴键，但只发出一次声音。

另一组研究人员来自哈佛大学，他们与加州大学伯克利分校物理学家Norman Yao开展了合作研究，在合成钻石中利用人工晶格造出了时间晶体。

虽然上述两种研究方法不同，但最后都造出了具有时间晶体特性的材料。构成这些奇特的“时间晶体”的原子永远不会达到热平衡状态。它们的结构在时间轴上不断重复，做周期性“振荡”动作，就像不断晃动的果冻一样。

要想将原子牢牢结合在一起，晶体必须有稳定的振动频率。时间晶体的概念最初由物理学家弗兰克·维尔切克于2012年提出，他认为该物质可打破时间的平移对称性。近期取得一系列突破之后，物理学家称这种新物质状态可对未来量子计算机的研发产生积极影响。

原子数据存储

近日，IBM宣布可以在单个原子上存储1比特数据，虽然这项突破性研究在实用性上还未得到验证，但它却引领了该行业的研究方向。IBM近期已经在学术期刊Nature上发表了相关研究成果。

目前，我们使用的硬盘存储一个比特数据大约需要10万个原子，若未来能实现单个原子存储1比特数据，那么存下苹果音乐2600万首歌曲仅需要一枚硬币大小的面积。不过，IBM该项目的研究员克里斯·鲁茨表示，这项技术实用化还需要几十年的时间。

它的工作原理是：将一个钬原子（一个大的具有许多不成对电子的原子）放置在氧化镁基底上。在这种条件下，原子具有所谓的“磁双稳性”：当原子处于两种不同自旋情况时，在磁场中分别对应两个稳定状态。

研究人员使用扫描隧道显微镜（STM）在原子上施加大约150毫伏、10微安的电流。电流进入钬原子可以使其改变其自旋状态。由于两种状态具有不同的导电性，STM尖端可以通过施加较低的电压（约75毫伏）并测量其电阻来检测原子所处的状态。

为了确认钬原子改变了磁状态，而不是受STM电流的一些干扰或影响，研究人员在附近设置一个铁原子。铁原子会受其临近原子磁性的影响，钬原子处于不同状态时其表现不同。这证明，实验真正在单个原子上持久地存储数据，并可以被间接测量到。

IBM此前就已经实现了原子级别的存储，但并不等同于本篇论文里提到的单个比特的存储。IBM当时是直接用STM“搬运”原子，并把这些原子排列成字母样式。

（北绛整理）