具半導體光子裝置的片上時間晶體

編譯／高晟鈞

研究團隊首次觀察到微型半導體晶片上的時間晶體以每秒數十億次的速率振盪，揭示了GHz範圍內極高的非線性動態。

時間晶體是什麼?

時間晶體（Time Crystal）的概念是由諾貝爾獎得主物理學家Frank Wilczek在2012年提出，並引起物理界廣泛的關注。那麼時間晶體到底是什麼呢?

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一般的晶體，像是鑽石，是碳原子在空間中以規律方式進行排列的物質，是在「空間」上進行週期性重複。而時光晶體則是一種特殊物質，其特性會隨著時間進行週期性的變化，如同晶體再進行規律性的「呼吸」一般，在「時間」上呈現週期性重複，且呈現永動狀態。

若常規晶體屬於「三維空間」上的的物體，那麼時間晶體則是一種「四維」以上的晶體，因此也被稱為「時空晶體」。

時間晶體的設計原理

時間晶體的實現首先需要一個離子阱，利用電場將某一帶電粒子固定在某一位置的裝置。而當離子在極低溫度被捕獲時，會相互排斥，並形成一個環狀晶體。隨後，當科學家施加一個微弱的靜磁場時，他便會驅動電子自旋。

這時的電子環已經不需要電場和磁場來幫助維持晶體的形狀以及各個離子的自旋，因此，這時我們就成功獲得一時間晶體。理論上，時間晶體的不同自旋狀態，可以被用作量子位元。這是首次在半導體裝置的冷凝樣品中觀察到該範圍內的持續振盪

片上時間晶體

研究團隊透過在超高真空條件下，堆疊出約一個原子厚的半導體材料層，成功創建出高品質的半導體樣品，類似一個微米大小的「盒子」，充當相干光物質凝聚體的陷阱。隨後，研究團隊將連續性的雷射對準樣本，使得這些原子進入一種穩定且重複的自旋翻轉模式，符合「時間晶體」的定義。

他們在過程中觀察到，樣本中的粒子以GHz的頻率，產生每秒十億次的振盪，是首次在半導體裝置的冷凝樣品中觀察到該頻率範圍內的持續振盪。此外，研究人員還發現，振盪可以透過改變雷射的光功率進行微調，並且可以透過設計半導體原子晶格來穩定頻率的自由變化。

這項研究展現了在微波光子學中使用時間晶體的前景。此外，基於半導體的非線性光電系統（光能與電能的雙向轉換設備）在片上光子學中的潛在應用備受關注，此研究對此也將有著巨大的推動作用。

資料來源:Innovations

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