驱动耗散里德堡原子气体中时间晶体的分岔效应

研究团队在强相互作用的里德堡原子体系中，通过射频场（RF）驱动首次观测到连续耗散时间晶体的分岔现象。该研究揭示了从长周期（LP）到短周期（SP）时间晶体的相变路径，并发现双稳态和滞后回线等非平衡特性，为操控多体量子系统的时空对称性提供了新思路。相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在量子多体系统领域，时间晶体作为一种打破时间平移对称性的新奇物态，自Frank Wilczek提出以来持续引发研究热潮。传统研究多聚焦于从热平衡态到时间晶体相的转变，但对于多时间晶体共存及其分岔效应的实验观测始终是空白。中国科学技术大学郭光灿院士团队的研究人员通过创新性地操控强相互作用里德堡原子体系，首次揭示了这一非平衡量子相变的动态过程，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用三光子电磁诱导透明（EIT）方案激发铯原子蒸气，结合射频场调控里德堡态能级结构。关键技术包括：1）多光子里德堡EIT制备系统；2）射频场诱导的Floquet边带调控；3）原子蒸气室中相互作用强度的原位测量；4）基于傅里叶频谱的时序对称性分析。

物理模型与实验装置

通过构建包含基态|g?和里德堡态|R?的四能级模型，研究人员发现射频场会分裂出|R₁?和|R₂?边带态（能量间隔δ=ω）。实验采用852 nm探测光与780 nm耦合光的反向传播构型，在7 cm铯蒸气室中观测到持续数分钟的振荡信号（图1c-d）。傅里叶振幅在复平面上的随机相位分布（图1e-f）证实了时间平移对称性的自发破缺。

相图分析

扫描耦合失谐Δ_c和射频场电压U（图2a），发现振荡区域随U增大而缩小，在U>9 V时消失。射频频率ω在2π×2-16 MHz区间可诱导时间晶体相（图2d），高频下因相互作用能小于Floquet能级间隔导致振荡消失。图2e-f中的突变（红色箭头）对应非平衡相变点。

时间晶体分岔

傅里叶频谱分析（图3a）显示：区域A中主峰频率f₀与Δ_c呈线性关系；区域B出现稳定频率；区域C-D则涌现f₀/4、3f₀/2等分频信号，反映周期倍增分岔；区域E进入混沌相（图3e），其轨迹在相空间呈现交织特征（补充图3）。

相变与双稳态

在978.75-986.25 mV电压区间（图4a），系统经历从LP（f=2π×19.0 kHz）到SP时间晶体的连续相变。双向扫描射频强度时（图5a），在U=3.95 V和4.2 V分别观测到滞后回线（图5b），证实双稳态源于非平衡亚稳态。

该研究首次实验证实了里德堡原子体系中时间晶体的分岔动力学，揭示了Floquet边带竞争导致的多重时空序形成机制。通过操控射频场参数实现LP-SP时间晶体可控转换，为研究非平衡量子相变提供了新范式。文中发现的混沌相变路径（图3e）与经典非线性动力学中的周期倍增分岔高度吻合，暗示强关联量子系统与非线性现象的深层联系。这些发现对量子模拟、精密测量等领域具有重要启示。