离散时间晶体：在弱磁振荡检测中的潜在应用
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离散时间晶体：在弱磁振荡检测中的潜在应用
由美国和德国物理学家组成的研究团队近期揭示了离散时间晶体（DTC）在检测微弱磁场振荡方面的新潜力。这项研究由加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊（Ajoy）领导，首次展示了这些非平衡量子态材料的实际应用价值，超越了此前仅作为理论奇观的阶段。
离散时间晶体是一种突破传统晶体结构规则的量子态。与通常在空间中呈周期性排列的原子晶体不同，DTC在外部周期性激励下表现出时间上的周期性响应，其状态始终未达热平衡。
“自2017年首次实现实验观测以来，离散时间晶体引发了广泛兴趣，”研究成员之一、马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒表示，“不过，一个关键问题一直未解：这种奇特的秩序是否能在实际中发挥作用？”
异域量子态的应用探索
在此次研究中，Ajoy、辛德勒及其同事尝试将DTC的周期性振荡特性转化为实际的量子传感机制。他们分析了DTC对与其固有频率一致的外部磁场的响应。
在经典物理中，这种匹配频率会激发共振，从而放大系统的振动。而在DTC中，系统会响应于驱动频率的两倍，从而延长其相干寿命。这种现象仅在极窄的频率窗口内有效。
“我们将这一特性转化为一种传感机制：只有当输入信号频率与DTC的共振条件匹配时，系统才会‘激活’，”辛德勒指出，“这意味着它可以作为一种高度选择性的窄带探测器。”更重要的是，与传统方法相比，这种传感精度不再依赖于传感器中自旋之间的相互作用，而是由DTC的寿命决定。
稳健性能的继承
为验证这一机制，研究团队利用DTC成功探测到了与金刚石中碳原子核自旋耦合的微弱振荡磁场。
通过调节生成DTC的驱动协议，研究人员能够微调其响应频率窗口，实现了0.5至50 kHz范围内的高分辨率检测。这一频段对于其他类型量子传感器，如基于电子自旋的原子蒸气系统而言较为困难，而它们通常适用于极高或极低频率。
“DTC继承了时间晶体秩序的稳健性，使其在面对脉冲误差和样品不均匀性等实验缺陷时依然表现出色，”辛德勒解释道，“此外，这种传感器利用了多体自旋相互作用，而非试图抑制这些相互作用。”
尽管目前DTC仍被广泛认为是一种理论上的奇观，但Ajoy团队的研究结果首次提供了其实际应用的可能性，并为未来在前沿实验中部署此类系统铺平了道路。
辛德勒预测，该传感机制具有平台无关性，有望直接应用于多种量子传感系统，如超导电路、囚禁离子和冷原子系统。“我们的研究展示了一类新型的非平衡、强健性基础量子传感器的前景。”
这项研究以《用离散时间晶体感知》为题发表在《自然·物理》杂志，2026年。DOI: 10.1038/s41567-025-03163-6
期刊信息：《自然·物理》
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