离散时间晶体在弱磁振荡探测中的应用潜力
谜知
离散时间晶体在弱磁振荡探测中的应用潜力
来自美国和德国的研究团队近期揭示，离散时间晶体（DTC）在探测极其微弱的磁场振荡方面展现出独特的能力。该成果由加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊（Ajoy）领导的团队取得，首次展示了这些非平衡相态材料的实际应用潜力，而不仅仅是停留在理论层面。
离散时间晶体是一种打破传统材料稳定性的物质相态。与常规晶体在空间上以固定周期重复不同，DTC在外部驱动下表现出在时间维度上的周期性振荡，且其状态始终远离热平衡。
“自2017年首次实验实现以来，DTC激发了科学界浓厚的兴趣，”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒指出，“不过，一个关键问题一直悬而未决：这种非平衡有序能否真正转化为可用技术？”
将异域相态用于量子传感
在最新研究中，阿乔伊、辛德勒及团队探索了如何将DTC的周期性行为转化为量子传感器。研究人员首先研究了DTC在与自身共振频率匹配的振荡磁场作用下的响应。
在经典物理体系中，共振通常会放大振动幅度，但频率保持不变。而在DTC系统中，共振表现为驱动频率的两倍周期响应，这不仅延长了系统的寿命，还赋予其独特的频率选择性。类似普通晶体，这种效应仅在极窄的频率范围内有效。
“我们将其视为一种传感机制：当外部信号频率与系统固有频率对齐时，时间晶体‘激活’，成为一种窄带探测装置，”辛德勒解释道。“与传统方法相比，DTC的精度不再依赖于自旋之间的相互作用，而是由系统的寿命决定。”
继承系统的鲁棒性
为了验证这一原理，研究团队利用DTC探测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，团队能够精细调节DTC的共振频率范围，使其在0.5至50 kHz的频段内实现高分辨率探测。这一频段对于其他量子传感器（如基于电子自旋的原子蒸气系统）而言较为困难，因为它们通常更适合极端低频或高频。
“核心在于，这种传感机制继承了DTC系统的强健性，使其能够抵御如脉冲误差和样品不均匀等实验噪声，”辛德勒强调。“同时，我们的方法依赖多体相互作用，而非刻意抑制自旋间的耦合。”
尽管当前DTC仍被视为一种理论上的奇异现象，但Ajoy团队的研究首次清晰地展示了其潜在的实用价值，为这一领域在实验科学中的进一步发展铺平了道路。
辛德勒进一步指出：“我们提出的传感机制具有平台通用性，有望应用于包括超导电路、囚禁离子和冷原子在内的多种量子传感平台。”“这标志着一类全新的非平衡强健型基础量子传感器的出现。”
Leo Joon Il Moon 等，《用离散时间晶体感知》，《自然物理》（2026）。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6
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