近日，北京師范大學物理學系引力與相對論研究中心張宏寶副教授與國科大田雨團隊以及上海交大蔡子教授、Baggioli副教授合作，借助全息對偶提出了一種新奇的非平衡量子物態：時空超晶體。相關工作以“Holographic Dissipative Spacetime Supersolids”為題發表在Physical Review Letters.
對稱性及其自發破缺不僅是構建基本粒子標準模型不可或缺的觀念，也是描述宇宙早期演化過程中發生相變的基本語言。特別的，這一觀念與語言在物態及其相變的研究中也扮演了核心角色。例如，液態到固態的轉變是通過空間平移和旋轉對稱性的自發破缺來實現的。而愛因斯坦的狹義相對論統一了時間與空間。從某種意義上來說，這意味著時間維度獲得了與空間維度一樣的地位。于是，一個自然的問題便是會否存在一種展現時間平移對稱性自發破缺的物態。不過，這一問題直到2012年才由諾貝爾獎得主Wilczek（維爾切克）教授最先提出。他也將這一可能的新物態命名為“時間晶體”。
后來人們證明，對于一個孤立的量子多體系統，其平衡態是不可能自發破缺時間平移對稱性的。這使得人們意識到，時間晶體只能在開放的量子多體系統的非平衡物態中生成。而使得一個量子多體系統處于開放狀態的一類典型做法是對其進行周期驅動。雖然周期驅動本身顯明地破壞了連續的時間平移對稱性，但是系統本身如果以諸如倍周期的方式作出響應，那么由周期驅動所造成的分立的時間平移對稱性依然發生了自發破缺，由此所生成的新物態被稱為分立時間晶體。在被周期驅動的量子多體系統中找尋分立時間晶體這一非平衡量子物態業已成為當前量子物理研究的重要前沿。這一領域的一個自然且核心的問題是如何避免相關量子多體系統被加熱。如果所涉系統在周期驅動下被加熱，那么這一系統就絕不可能經過某一個時間段再回到原來的狀態。因此避免所涉系統被加熱是生成分立時間晶體的充分條件。除了通過所涉系統自身的多體局域化機制，另外一種避免所涉系統被加熱的機制是通過力學的方式把由周期驅動所注入的能量提取出來。過去人們分別利用這兩種機制業已成功地生成了分立時間晶體。那么還有無第三條途徑去避免所涉系統被加熱，從而也生成分立時間晶體呢？眾所周知，當一個系統處在周圍環境之中的時候，這周圍環境常常可以充當一個大的熱庫。一個自然的問題是，這樣一個熱庫有無可能將周期驅動所注入的能量以熱的方式耗散進熱庫之中，從而避免所涉系統被加熱。可是，由于對于非平衡量子多體系統缺少合適的研究手段，人們對于這一問題的了解極其有限。
圖1.（左圖）全息時空超固體示意圖；（右圖）周期驅動-熱耗散系統相圖。
針對這一困難，張宏寶副教授與國科大田雨團隊，以及上海交大蔡子教授、Baggioli副教授合作，將弦論中的全息對偶方法推廣到上述非平衡量子系統。這一方法的基本思想是將一個處于熱庫中的強耦合量子多體系統對偶到一個高一維的黑洞系統，通過求解這一引力系統在邊界上的漸進行為，運用AdS/CFT對應，得到相應量子多體系統的信息。通過這一方法，他們發現周期驅動-熱耗散的相互作用系統，可以產生一種新奇的非平衡量子物態：時空超晶體。這一量子物態不僅同時自發破壞了時間和空間平移對稱性，還破壞了系統內稟的U(1)對稱性。同時，研究表明，當環境溫度上升時，系統的時空平移對稱同時被恢復，達到一種同步超流態。隨著溫度繼續上升，U(1)對稱性被恢復，系統轉變為正常流體（見圖1）。這一研究表明熱耗散可以有效避免所涉系統被加熱，從而可以在其中生成分立時間晶體，這為在實驗室中，特別是冷原子體系中制備時間晶體提供了全新的思路。
該論文第一作者為國科大田雨教授的博士生楊鵬（現為上海交大維爾切克量子中心博士后），北京師范大學物理學系引力與相對論研究中心張宏寶副教授與上海交大蔡子教授、Baggioli副教授以及國科大田雨教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部重點研發計劃、自然基金委面上項目，上海市重大項目，上海市面上項目的支持。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.221601
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