一个新的物质阶段，被认为只能使用量子物理学来理解，可以用更简单的经典方法来研究。
剑桥大学的研究人员使用计算机建模来研究物质的潜在新阶段，称为预热离散时间晶体 (DTC)。 人们认为，热前 DTC 的特性依赖于量子物理学：在亚原子尺度上支配粒子的奇怪定律。 然而，研究人员发现，可以使用一种基于经典物理学的更简单的方法来理解这些神秘现象。
“我们认为时间晶体基本上是量子现象，但事实证明，一种更简单的经典方法让我们更多地了解它们。” — 安德里亚·皮齐
了解物质的这些新相是朝着控制复杂多体系统迈出的一步，这是一个长期目标，具有各种潜在应用，例如复杂量子网络的模拟。 结果报告在两篇联合论文中 “物理评论快报” 和 体检B.
当我们发现新事物时，无论是行星、动物还是疾病，我们都可以通过越来越仔细地观察它来了解更多。 首先尝试较简单的理论，如果它们不起作用，则尝试更复杂的理论或方法。
“这就是我们认为的预热 DTC 的情况，”两篇论文的第一作者、剑桥卡文迪什实验室的博士生 Andrea Pizzi 说。 “我们认为它们基本上是量子现象，但事实证明，一种更简单的经典方法让我们更多地了解它们。”
DTC 是高度复杂的物理系统，关于它们不寻常的特性还有很多需要了解的地方。 就像标准空间晶体如何打破空间平移对称性一样，因为它的结构在空间的任何地方都不相同，DTC 打破了独特的时间平移对称性，因为当周期性“摇动”时，它们的结构会在每次“推动”时发生变化。
“你可以把它想象成一个父母在操场上推着一个荡秋千的孩子，”皮齐说。 “通常情况下，父母推孩子，孩子会向后摆动，然后父母再推他们。 在物理学中，这是一个相当简单的系统。 但是，如果在同一个操场上有多个秋千，并且如果秋千上的孩子们彼此手牵手，那么系统会变得更加复杂，并且可能会出现更有趣和不那么明显的行为。 例如，预热 DTC 就是这样一种行为，其中原子的行为有点像摆动，仅在每第二次或第三次推动时才会‘回来’。”
DTC 于 2012 年首次预测，开辟了一个新的研究领域，并已在包括实验在内的各种类型中进行了研究。 其中，预热 DTC 是相对容易实现的系统，不会像通常预期的那样快速加热，而是在很长一段时间内表现出时间结晶行为：它们被摇动得越快，它们存活的时间就越长。 然而，人们认为它们依赖于量子现象。
“开发量子理论很复杂，即使你管理它，你的模拟能力通常也非常有限，因为所需的计算能力非常大，”Pizzi 说。
现在，Pizzi 和他的合著者发现，对于预热 DTC，他们可以避免使用过于复杂的量子方法，而是使用更实惠的经典方法。 通过这种方式，研究人员可以更全面地模拟这些现象。 例如，他们现在可以模拟更多基本成分，访问与实验最相关的场景，例如二维和三维。
使用计算机模拟，研究人员使用经典的哈密顿动力学研究了许多相互作用的旋转——比如秋千上的孩子——在周期性磁场的作用下——比如父母推动秋千。 由此产生的动力学以简洁明了的方式显示了预热 DTC 的特性：在很长一段时间内，系统的磁化振荡周期大于驱动器的磁化周期。
“令人惊讶的是，这种方法是多么干净，”Pizzi 说。 “因为它允许我们查看更大的系统，所以它可以非常清楚地了解正在发生的事情。 与我们使用量子方法时不同，我们不必与这个系统斗争来研究它。 我们希望这项研究能够将经典哈密顿动力学确立为一种适用于复杂多体系统大规模模拟的方法，并为研究非平衡现象开辟新途径，其中预热 DTC 只是一个例子。”
Pizzi 的两篇论文的合著者最近都在剑桥工作，他们是现在在奥地利维也纳大学工作的 Andreas Nunnenkamp 博士和现在在德国慕尼黑工业大学工作的 Johannes Knolle 博士。
同时，在美国加州大学伯克利分校，Norman Yao 课题组也一直在使用经典方法研究热前 DTC。 值得注意的是，伯克利和剑桥团队同时解决了同样的问题。 姚的小组将很快公布他们的结果。
参考：“一维、二维和三维的预热离散时间晶体的经典方法”，Andrea Pizzi、Andreas Nunnenkamp 和 Johannes Knolle，27 年 2021 月 XNUMX 日， “物理评论快报” 和 体检B.
DOI：10.1103/PhysRevB.104.094308
