上海交大自然科学研究院张洁课题组与Matteo Baggioli课题组合作在PNAS发表关于宏观时空晶体的三阶段熔化研究成果

　　

近日，上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院张洁课题组与上海交通大学维尔切克量子中心 (Wilczek Quantum Center) /物理与天文学院 Matteo Baggioli 课题组合作，在活性颗粒体系中构建出一种宏观时空晶体，并直接观测到三个阶段逐步熔化的完整过程。研究发现，时间序与空间序并不一定同步形成或消失，而是可以在非平衡条件下彼此解耦。该成果为理解非平衡物质中的时空耦合规律提供了实验依据。

这项研究成果以“Three-stage Melting of A Macroscopic Continuous spacetime Crystal”为题发表在《美国科学院院刊》（PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2613063123

研究背景

晶体的形成与熔化反映了空间序的产生和消失，是凝聚态物理中的经典问题。特别是在二维体系中，晶体可通过包含六角相中间态的两阶段过程熔化。受空间与时间对称性类比的启发，时间晶体以及同时具有空间和时间周期性的时空晶体相继被提出，并已在多种量子和经典体系中实现。然而，与普通晶体熔化相比，时空晶体如何失去有序性仍缺乏直接实验研究。尤其是空间序与时间序是否通过不同物理机制熔化，以及时间刚性如何与二维体系中的拓扑熔化过程相互关联，仍是尚未解决的问题。

研究内容

研究团队构建了一个准二维主动颗粒实验系统，将大量圆盘颗粒置于直径约50厘米的圆形铝板上，并通过100 Hz竖直振动持续输入能量。利用高速相机追踪颗粒位置和运动状态，研究人员发现，在较高填充率下，颗粒会自发排列成具有六重对称性的三角晶格，同时形成同步的整体周期旋转。该旋转周期约为4.7至5.5小时，可稳定持续近一天，表明系统形成了宏观连续时空晶体。

随着颗粒填充率降低，原本规则的圆周运动逐渐被局部无序运动取代，粒子的方向持久性持续下降，时间序首先消失。此时，体系仍保留一定的空间取向序，并形成六角相中间态。随后，位错、向错和缺陷团簇不断增殖，空间晶体结构才进一步瓦解，最终转变为完全无序的流体。该三阶段熔化过程表明，时间序与空间序可在不同临界条件下、通过不同物理机制分别消失。

研究总结

研究团队在二维主动颗粒体系中实验实现了可持续近一天、对噪声具有较强稳定性的连续时空晶体。该体系呈现三阶段熔化过程，时间序与空间序在不同临界条件下分别消失，并出现六角相中间态，揭示了时空对称性可以相互独立，为研究非平衡物态及其他手性主动体系中的多阶段相变提供了新平台。

作者团队简介和致谢

研究团队成员包括上海交通大学物理与天文学院博士生柳国庆、白济民，上海交通大学物理与天文学院维尔切克量子中心Matteo Baggioli教授与上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院张洁教授。柳国庆与白济民为该论文的共同第一作者，通讯作者为Matteo Baggioli教授与张洁教授。

本研究得到上海市科技重大专项、国家自然科学基金与上海市教委科研创新计划的支持。研究团队同时感谢蔡子、许阳在项目早期阶段的合作，以及 Maxim Chernodub、Julien Garaud、Antti Niemi 和 Frank Wilczek 在学术讨论中提出的宝贵意见。

张洁课题组简介

张洁课题组的研究兴趣包括玻璃相变与堵塞相变、非晶固体的塑性、颗粒材料的统计描述、玻璃态物质的流变行为、非晶固体中的声学模态与声子传输，以及活性物质等。

课题组面向海内外招收优秀博士生、博士后研究员，欢迎热爱物理、具备科研探索精神的青年人才加入！

张洁课题组网址：http://jamming.sjtu.edu.cn

Matteo Baggioli课题组网址：https://theorylab-sjtu.com/

作者：

INS

供稿单位：

自然科学研究院