离子阱中的时空晶体


【更新:论文已经被PRL接收,即将发表】

在撰写那篇时间晶体的科普文章的同时,我们也在建立自己的时间晶体模型。最近,我与合作者们完成了一篇论文《Space-time crystal of trapped ions》。我相信这是一个能够在真实物理系统中实现时间晶体。这个系统不仅在三维时间上结晶了,在时间上也可以结晶,最终我们可以得到一块四维时空的晶体。预想中的时间晶体的某些奇妙性质,也许有一天能够在实验室中得到验证。从某种程度上说,这是我最接近科幻的研究课题,终于我也开始研究这种科幻小说中经常出现的新奇概念了。多年来,我一直喜欢读科幻小说,也喜欢物理学并以此为职业,如今我的兴趣终于会合了。下面附上刘慈欣在小说《三体》中写的一首诗:

我看到了我的爱恋
我飞到她的身边
我捧出给她的礼物
那是一小块凝固的时间
时间上有美丽的条纹
摸起来像浅海的泥一样柔软
她把时间涂满全身
然后拉起我飞向存在的边缘
这是灵态的飞行
我们眼中的星星像幽灵
星星眼中的我们也像幽灵

离子阱中的声学激光


早在激光发明后不久,人们就在寻求其在其他系统中的对应物,比如说,声学激光,或者我们可以称之为“激声”。固体中的震动,一般是处于杂乱无张的状态的,比如热平衡态。声学激光,需要外加驱动引起振子的受激震动(对应于激光器中原子的受激辐射)。多年来,有关激声的理论方案有很多,比如离子阱,半导体系统,纳米机械系统,纳米磁系统,等等。实验上在半导体超晶格等系统中也看到了有关声学激光的某些标志。最近,在《自然 物理学》的网络版中,发表了一篇名为《声子激光器》的论文,来自德国和美国的作者们在Paul离子阱系统中用镁离子实现了一个可控的声学激光器。

我们都知道,在离子阱系统中,如果用红失谐光照射,会给系统降温,而用蓝失谐光照射会加热系统。但是详细的实验与理论发现,蓝光照射并不总是在加热振子的,也有可能引起振子的受激震荡。当驱动光超过一定的阈值后,振子的运动就从纯粹随机的布朗运动转化为相位相干的震动。不过与通常的激光器不同的地方在于,这个离子激声并没有输出,激声始终束缚在离子中,与外界没有耦合。论文把这称为一个零维的激声系统。这篇论文只描述了含有一个离子的实验。实际上,离子阱中可以含有多个离子,包含多个震动模式。通过驱动,我们可以让这些震动模式耦合起来,同时也可以激发出激声来,我们可以看到激声在这些震动模之间的传播。于是,通过这种可控的方式,我们可以看到激声系统从零维到高维的转化。

Vahala, K., Herrmann, M., Knünz, S., Batteiger, V., Saathoff, G., Hänsch, T., & Udem, T. (2009). A phonon laser Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1367