离散时间晶体：有望用于探测微弱磁场振荡的新型传感器
好奇博士
离散时间晶体：有望用于探测微弱磁场振荡的新型传感器
近期，由美国和德国物理学家组成的研究团队展示了离散时间晶体（DTCs）在实际传感应用中的潜力。以加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊教授为首的科学家们，首次揭示了这些非平衡态物质可以被用来检测极其微弱的磁场振荡。这项发现标志着DTCs从基础物理奇观向实用化技术的重要转变。
离散时间晶体是一种突破传统材料范式的量子态。与普通晶体在空间中周期性重复不同，DTCs在外部驱动下会表现出时间上的周期性行为，且这种周期性不会随时间趋于热平衡。
“自2017年首次实验实现以来，DTCs引发了广泛关注。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒博士指出，“但长期以来，人们一直好奇：这种非寻常的序是否可以被用于实际应用？”
探索异域有序的传感机制
研究团队探索了如何利用DTCs的周期性振荡实现量子传感功能。他们首先研究了DTCs对与其固有频率匹配的振荡磁场的响应。
在经典物理中，这种共振会增强系统的振动幅度，但保持其原始频率。而在DTCs中，共振行为却表现出不同的特征——系统会锁定在驱动力频率的两倍，从而延长其寿命。这种响应仅在极窄的频率范围内有效，类似于传统晶体对晶格振动的响应。
“这实际上是一种传感机制：当信号频率与DTC的共振频率匹配时，系统会显著增强响应，”辛德勒解释道，“与传统方法相比，这种传感器的精度不再依赖于自旋之间的相互作用，而是由DTC的寿命决定。”
继承自时间晶体的鲁棒性
在实验中，研究人员利用DTC成功探测到了与金刚石中碳原子核自旋耦合的极微弱振荡磁场。
通过调整驱动协议，他们可以对DTC的共振频率进行微调，从而实现高精度探测。实验显示，该传感器在0.5至50 kHz频率范围内具有极高的分辨率，这正是传统量子传感器难以覆盖的中频区域。
“这一关键优势来自于时间晶体本身所具有的鲁棒性，使其能够有效抵御诸如脉冲误差或样品不均匀性等实验噪声。”辛德勒补充道，“此外，该传感器利用的是多体系统的协同行为，而不是试图屏蔽自旋之间的相互作用。”
长期以来，DTCs被认为是理论物理中的一个奇特现象。然而，阿乔伊团队的研究首次提供了明确的证据，表明这类系统具有实际应用前景，为未来在传感和精密测量领域开辟了新的可能性。
辛德勒认为：“我们展示的传感机制具备平台无关性，理论上可直接应用于多种量子传感技术，如超导电路、囚禁离子和冷原子系统。”他进一步指出，这项研究标志着一种新型非平衡态强健量子传感器的诞生。
- 研究论文：Leo Joon Il Moon 等，《用离散时间晶体感知》，发表于《自然物理》（2026）
- DOI：10.1038/s41567-025-03163-6
期刊信息：《自然物理》
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