离散时间晶体在弱磁振荡探测中的应用潜力

近期，美国与德国的物理学家在离散时间晶体（DTCs）领域取得新突破，揭示其在检测微弱磁场振荡方面的潜力。由加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊（Ashok Ajoy）领导的团队，首次展示出这种非平衡态物质在实际应用中的可能性，超越了其此前仅作为理论奇观的范畴。

离散时间晶体是一种打破传统材料规律的特殊物质形态。与普通晶体在空间中周期性重复不同，DTC在外部激励下呈现出周期性的时间演化，且不趋于热平衡状态。自2017年首次实验实现以来，该领域迅速引起广泛关注。然而，一个核心问题始终悬而未决：这种异域时间秩序是否具备实用价值？

马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒（Paul Schindler）表示：“尽管理论上的进展令人振奋，但能否将其转化为实际应用，一直是我们努力的方向。”

从奇异态到实用传感器

研究人员提出，DTC的周期性振荡特性可被用于构建工作型量子传感器。在实验中，团队首先研究了DTC对外部周期性磁场的响应。

在经典体系中，外加磁场会引发共振效应，增强系统的振动幅度并维持其固有频率。而在DTC中，系统会锁定在驱动频率的两倍，这种双重频率锁定效应显著延长了其动态寿命。但正如传统晶体一样，这一现象仅在极其狭窄的频率区间内发生。

“我们将其转化为传感机制：只有当驱动信号频率与DTC固有频率精确匹配时，系统才会表现出响应，从而实现一种高选择性的窄带探测器。”辛德勒解释道，“更重要的是，这种传感精度并不依赖于自旋之间的耦合强度，而是由DTC的寿命决定的。”

为验证这一传感机制，团队利用DTC探测了与金刚石中碳原子核自旋耦合的微弱磁场波动。

通过调整用于激发DTC的脉冲序列，研究人员能够精准调节系统响应的频率窗口。实验结果显示，传感器在0.5至50 kHz范围内具有极高的分辨率，这一频段在传统量子传感器（如基于原子蒸气中的电子自旋系统）中较难实现，通常更适合探测极高或极低频率。

辛德勒指出：“DTC的传感机制受益于其自身拓扑序的鲁棒性，使其在面对实验误差，如脉冲失准或样品不均匀时，依然能够稳定运行。”“此外，我们的方法并未试图消除自旋间相互作用，而是直接利用了多体协同效应。”

目前，DTC仍被视为一种奇特而非实用的物理现象。然而，阿乔伊团队的工作首次清晰地展示了其在实际应用中的潜力，为未来在实验平台中的部署铺路。

辛德勒进一步预测：“我们提出的传感机制具有普适性，可以直接适配于多种量子传感平台，例如超导电路、囚禁离子系统以及冷原子阵列。”“这标志着一类新型非平衡态、强健型量子传感器的诞生。”

相关研究成果发表在《自然·物理》期刊，题为《用离散时间晶体感知》（Perceiving with Discrete Time Crystals），DOI：10.1038/s41567-025-03163-6。

期刊信息：《自然·物理》

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