时间回旋晶体的实验观测：非周期驱动量子模拟器中的时空有序性新范式

《Nature Physics》：Experimental observation of a time rondeau crystal

本刊推荐：为解决传统时间晶体局限于周期性驱动的瓶颈，研究团队在13C核自旋量子模拟器中引入随机多极驱动（RMD）新范式，实现了长时标有序与短时标无序共存的时间回旋晶体。该工作通过可编程微波场操控，证实了寿命超4秒的预热态时空序，并演示了微运动动力学信息编码能力，为非平衡量子物态调控开辟了新维度。

　　

在探索物质有序态的漫长科学征程中，对称性破缺始终是理解相变的核心范式。正如冰晶体通过打破空间连续平移对称性实现长程有序，近年来科学家开始追问：时间维度能否诞生类似的有序态？2012年Wilczek提出时间晶体概念后，周期性驱动系统（Floquet系统）中离散时间晶体（DTC）的发现，为时空有序性研究打开了新窗口。然而，这种有序态是否必须依赖于严格周期性驱动？能否在更广泛的非平衡量子系统中实现时空序的多样化调控？这些前沿问题成为当前量子物质研究的关键挑战。

传统时间晶体研究面临两大瓶颈：其一，热平衡条件下时间平移对称性自发破缺被证明不可行；其二，现有非平衡时间晶体严重依赖周期性外场驱动，其微运动动力学呈现刚性周期特征，缺乏可调控性。为解决这一难题，来自加州大学伯克利分校、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所等机构的联合团队，在《Nature Physics》发表了突破性研究。他们利用金刚石中¹³C核自旋量子模拟器，首次实验观测到一种新型时空有序态——时间回旋晶体（time rondeau crystal），该状态通过结构化随机驱动实现了长时标有序与短时标无序的共存，突破了传统Floquet范式的限制。

研究团队创新性地开发了基于任意波形发生器（AWG）的自旋控制架构，该技术具备9 GS/s采样速率和16 GB存储容量，可编程生成包含数万个独特脉冲单元的驱动序列。通过室温下NV色心光学极化转移技术，将¹³C核自旋极化度提升998倍至约1%，并利用偶极-偶极相互作用（哈密顿量H_dd=∑_k<lB_kl[3I_k^zI_l^z-I_k·I_l]）构建多体量子平台。实验采用双音驱动策略：快速自旋锁定脉冲产生 emergent U(1)对称性保护极化，慢速随机多极驱动（RMD）则通过调控翻转角γ_y=π+ε的y脉冲时序，实现可调谐的时空序。

时间回旋晶体的特征验证

通过分析n=1 RMD驱动下720个脉冲的连续观测数据，研究发现在整周期时间t=?T处系统呈现稳定的倍周期振荡（周期2T），而在半整数时间t=(?+1/2)T处则出现随机涨落。这种时空序的共存类比于冰晶体中氧离子的长程有序与质子的短程无序。微运动数字信号的离散傅里叶变换（DFT）显示，与传统DTC的δ峰谱不同，2-RMD驱动的微运动谱在0≤v<π频率范围内连续分布，且与驱动谱存在π相移特征，证实了时空无序性的可调控性。

驱动结构的光谱调控机制

团队系统比较了n=0,1,2阶RMD驱动的频谱特性。实验数据显示，微运动DFT谱在(π-v)轴上呈现明显的代数抑制规律：n=0时斜率α₀=0±0.1（平坦谱），n=1时α₁=1.0±0.1（线性抑制），n=2时α₂=1.9±0.1（平方抑制），与理论预测的α=n高度吻合。这种频谱可调性使得时间回旋晶体能够实现从完全无序到准周期驱动的连续过渡，其中n→∞极限对应确定性非周期Thue-Morse序列。

预热态稳定性的参数扫描

通过扫描翻转角偏差ε（0.5π?γ_y?1.15π）发现，在|ε|?0.1π参数范围内，斯托罗博斯克傅里叶谱始终在v=π/T处保持主导窄峰，证明时间回旋序对扰动具有鲁棒性。加热率Γ_ε的测量显示其随ε²增长，随驱动周期T线性抑制，且与多极阶数n无关。这一特性使得系统在低频率区（JT?1）可实现寿命超过4秒的稳定预热态，为实际应用提供了参数窗口。

微运动工程与信息编码演示

研究团队进一步展示了时间回旋晶体的应用潜力。通过将⊕/?单极驱动序列与二进制信息映射（极化正/负对应1/0），成功在微运动动力学中编码论文标题"Experimental observation of a time rondeau crystal"的ASCII码。该编码序列的寿命与Thue-Morse序列相当，证明微运动调控不会破坏底层时空序的稳定性。这种能力为量子传感、猫态制备等应用提供了新思路。

这项研究突破了传统时间晶体的范式局限，首次在实验上实现了时空序与无序的可控共存。时间回旋晶体概念的验证，不仅丰富了非平衡量子物态的分类体系，更通过微运动工程展示了其在量子信息处理中的潜力。该工作建立的AWG驱动架构为探索更复杂的时空序（如时间准晶体）提供了通用平台，有望推动量子传感、拓扑传输等前沿领域的发展。随着在光激发三重态电子系统等平台中的进一步验证，时间回旋晶体或将成为连接基础物理与量子技术的重要桥梁。