晶体是原子在空间中以规则间隔重复排列的产物：晶体在每一点看起来都一模一样。2012 年，诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 提出了一个问题：是否也存在时间晶体——一种不是在空间而是在时间中重复的物体?即使没有对系统施加任何特定的节奏，并且粒子之间的相互作用完全独立于时间，是否也有可能出现周期性节奏?

多年来，弗兰克·威尔切克的想法引起了很多争议。一些人认为时间晶体在原则上是不可能的，而另一些人则试图找到漏洞，在某些特殊条件下实现时间晶体。现在，在奥地利维也纳技术大学的支持下，中国清华大学成功制造出一种特别壮观的时间晶体。该团队使用了激光和非常特殊的原子类型，即里德堡原子，其直径比正常原子大几百倍。研究结果现已发表在《自然物理》杂志上。

自发对称性破缺

时钟的滴答声也是时间周期运动的一个例子。然而，它不会自动发生：必须有人在某个时间给时钟上发条并启动它。这个启动时间决定了滴答声的时间。时间晶体则不同：根据 Wilczek 的想法，周期性应该自发产生，尽管实际上不同时间点之间没有物理差异。

维也纳技术大学理论物理研究所的托马斯·波尔教授解释说：“滴答频率由系统的物理特性预先确定，但滴答发生的时间却完全随机;这被称为自发对称性破缺。”

托马斯·波尔负责研究工作的理论部分，该研究现已促成中国清华大学发现时间晶体：将激光照射到充满铷原子气体的玻璃容器中。测量到达容器另一端的光信号强度。

“这实际上是一个静态实验，没有对系统施加任何特定的节奏，”托马斯·波尔说。“光与原子之间的相互作用始终相同，激光束具有恒定的强度。但令人惊讶的是，事实证明，到达玻璃池另一端的强度开始以高度规则的模式振荡。”

巨原子

实验的关键在于以特殊方式准备原子：原子的电子可以根据其能量大小以不同的路径绕原子核旋转。如果将能量添加到原子最外层电子，其与原子核的距离会变得非常大。在极端情况下，它与原子核的距离可能比平时远几百倍。这样就产生了具有巨大电子壳层的原子——所谓的里德伯原子。

“如果我们玻璃容器中的原子处于这种里德堡态，并且它们的直径变得巨大，那么这些原子之间的力也会变得非常大，”托马斯·波尔解释说。“这反过来又改变了它们与激光相互作用的方式。如果你选择激光的方式是它可以同时激发每个原子中的两个不同的里德堡态，那么就会产生一个反馈回路，导致两个原子态之间自发振荡。这反过来也会导致振荡光吸收。”巨大的原子自己跌跌撞撞地进入有规律的节拍，这种节拍被转化为到达玻璃容器末端的光强度节奏。

“我们在此创建了一个新系统，它提供了一个强大的平台，可以加深我们对时间晶体现象的理解，其方式非常接近弗兰克·威尔切克的原始想法，”托马斯·波尔说。“例如，精确的自持振荡可用于传感器。具有里德堡态的巨原子已经在其他情况下成功用于此类技术。”