清华大学航院陈常青团队揭示日常生活中的“时间拓扑”现象

从吉他弦声的逐渐减弱、水面涟漪的缓慢消散，再到光纤中的信号随传播距离而损耗，波的衰减和耗散是物理世界中司空见惯的现象。长期以来，人们把这种“耗散”当成一种普通的能量流失，是波动系统中需要尽量避免或克服的“不利因素”。然而，清华大学航院陈常青教授团队近日发现，这一看似简单的衰减行为背后，隐藏着深刻而优雅的拓扑规律，可以将耗散从“不利因素”转变为一种全新的“资源”，为波动行为调控提供了一个全新的视角。

他们发现，在空气、水等粘性介质中普遍存在的阻尼耗散，会天然地打破物理和力学中一条被称为互易性的基本对称性，且这种破缺独特地作用在时间维度上。这一时域非互易会催生一种全新的拓扑现象——波的能量会在时间起点处发生大量累积，团队将其命名为“时域趋肤效应”（Temporal skin effect）。这意味着，此前普遍认为必须依赖精密设计的人工超材料才能实现的非厄米趋肤效应，实际上在时间维度上，正以最朴素的方式，无时无刻不在我们身边发生（图1）。

图1.空间趋肤效应和时域趋肤效应的对比

这一发现的深刻内涵，在于它揭示了时间与空间在物理规律上的奇妙对偶关系。团队指出，在空间维度下，形成周期性结构很容易，但打破互易性却非常困难；而在时间里，这一关系被完全颠倒：打破互易性毫不费力（只需最简单的耗散），创造周期性反而成了巨大挑战。这一深刻的对偶关系不仅揭示了自然界奇妙的“选择定则”，更彰显出时间维度作为探索非厄米拓扑等新奇物理的独特优势。

为了验证理论，研究团队搭建了一个由弹簧和质量块组成的力学系统。他们巧妙利用时间的因果律（即当前状态仅由过去决定），在同一个实验平台上，仅通过设置不同的初始条件，就实现了对多种时域边界条件和系统尺寸的灵活调控。实验结果清晰地展示了由空气阻尼驱动的时域趋肤效应，与理论预测高度吻合（图2）。

图2.时域趋肤效应的实验观测

该工作提出的时域非互易特性，也为一类被称为“时间晶体”（Time crystals）的新兴人工材料研究带来了全新的调控思路。研究团队指出，利用耗散这种最简单的配料，就可以对时间晶体的拓扑行为进行塑造。例如，可以像编织辫子一样，使其动量带发生复杂的拓扑“编织”；或者对其时间界面处的波信号进行重构，实现奇特的传播效果（图3）。

图3.时域非互易与时间晶体的相互作用

研究成果以“隐匿于均匀耗散中的时域拓扑与非互易”（Temporal Topology and Nonreciprocity Hidden in Homogeneous Dissipation）为题，于9月29日发表于国际物理学旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

清华大学航院陈常青教授和航院访问学者张亚飞博士（现为以色列希伯来大学博士后）为本文共同通讯作者，第一作者是2026届博士毕业生王澳西（现为香港浸会大学博士后）。

本项目获得了国家自然科学基金的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gfy2-d4pp

供稿：航院

编辑：李华山

审核：王晓霞