在非平衡量子多体物理的研究中，“时间晶体”是近年来备受关注的前沿概念，其中边界时间晶体（boundary time crystal，BTC）刻画的是系统在耗散和驱动的协同作用下，自发打破连续时间平移对称性、产生长期稳定振荡的特殊物态。此前的研究指出，通过全局超辐射这类集体耗散机制是可以构造出边界时间晶体的。然而，在真实的实验体系中，局域耗散普遍存在，它往往会使得系统快速弛豫到达稳态，进而使得构建出的时间晶体难以形成稳定的震荡。

       近日，清华大学物理系尤力教授课题组与合作者在这一研究方向上取得了重要进展：受到课题组去年在里德堡原子气体工作（Nat. Phys. 20, 1389–1394 (2024)）中的启发，他们提出了一种更为现实的自旋模型，可以通过局域耗散和长程相互作用的协同效应诱导出边界时间晶体相，显著地拓展了人们对非平衡量子物态的认识。

       这项工作构建了一个具有V型三能级结构的一维自旋链模型（如图1）：每个粒子可由相干驱动场从基态耦合到两个激发态，并通过独立的局域耗散过程回到基态；与此同时，粒子之间具有长程的幂律相互作用。在该模型中，局域耗散并不会完全破坏相干性，而是在与长程相互作用的协同工作下，驱动体系在合适参数区间内形成稳定的时间晶体相。

图1：新型边界时间晶体模型与动力学演化。(a)自旋模型与能级结构示意图。(b)平均场动力学相图以及不同物相下系统在相空间中的典型演化轨迹。

       为了从多角度验证理论模型的预言，研究团队利用平均场、弱交换对称性下的全量子分析、矩阵乘积态、以及二阶累积量展开等多种理论方法，结合热力学极限下时间晶体的判据，对自关联函数、量子涨落等物理量进行了系统分析。他们发现，随着相互作用程的减小，体系会从具有经典极限环对映的“Mean-field BTC”首先过渡到由量子涨落和多体关联主导的“Correlated BTC”（如图2）：前者在热力学极限下可由平均场很好描述，后者则表现出明显的非高斯性和长程关联，是典型的量子多体非平衡相。而当相互作用过于短程时，系统则会落入平庸的稳态相。

图2：相互作用幂指数所驱动的相变。(a)相变示意图。(b)-(d)分别展示了时间晶体寿命、稳态非对角关联和关联传播速度，结果基于二阶累积量展开。(e)关联时间晶体相和稳态相的单量子轨迹采样演化，结果基于矩阵乘积态方法。

       这项工作提出了一类新颖的、稳定性更高的时间晶体实现方案，为离子阱、里德堡原子阵列等具有长程相互作用物理平台上的量子物态调控提供了新思路，并为基于时间晶体的量子传感和精密测量提供了重要手段。该研究成果以“Boundary Time Crystals Induced by Local Dissipation and Long-Range Interactions”为题，于2025年12月1日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。清华物理系2021级博士生王竺卿和2022级博士生高若晨为共同第一作者，物理系尤力教授和奥地利因斯布鲁克大学的杨帆研究员（清华物理系2015级博士生）为通讯作者。合作者还包括清华物理系2017级博士生吴晓凌，法国CNRS的Berislav Buča教授和丹麦尼尔斯玻尔研究所的Klaus Mølmer教授。该研究工作得到了基金委、科技部、清华大学低维量子物理全国重点实验室、量子信息前沿科学中心和合肥国家实验室的资助。

       文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jhd4-1khw