离散时间晶体作为检测微弱磁振荡的新型传感器

共振时间晶体传感器。图片来源：保罗·辛德勒

来自美国和德国的研究团队近期揭示了一种全新传感机制，利用离散时间晶体（DTC）探测极其微弱的磁场振荡。加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊领导的研究组首次展示了这种奇异物质在实际应用中的潜力，突破了此前将其仅视为理论现象的限制。

离散时间晶体是一种打破常规材料行为模式的非平衡相态。传统晶体在空间上呈现周期性重复的原子排列，而DTC在外部周期驱动下表现出时间上的周期性响应，并始终处于非平衡状态，从未达到热平衡。

“自2017年首次被实验验证以来，这一现象引发了广泛的学术兴趣。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒指出，“但一个核心问题一直未解：这种非平衡有序是否具有实用价值？”

异域相态的传感潜力

在这项研究中，阿乔伊、辛德勒及其团队探索了如何将DTC的周期性振荡用于构建可运行的量子传感器。他们首先分析了DTC在受到以固有频率变化的磁场作用下的响应。

在经典物理体系中，外界激励通常会引发共振，使振幅增强但频率保持恒定。而DTC在共振条件下表现出独特的行为：其响应频率变为驱动频率的两倍，同时振荡寿命显著延长。与普通晶体类似，这种效应仅在极窄的频率范围内发生。

“我们可以将这一机制用于传感：当信号频率与DTC的共振条件一致时，它会‘亮起’，形成一种高度选择性的探测机制。”辛德勒表示，“与传统方法相比，这种传感精度不再依赖于自旋之间的耦合强度，而是由时间晶体本身的寿命决定。”

实验中，研究人员利用DTC成功检测了与金刚石中碳核自旋耦合的极微弱振荡磁场。通过调节驱动协议的参数，他们能够精细地调整DTC的共振频率窗口。

这种传感器在0.5至50 kHz频率范围内展现出极高的分辨率，这在传统量子传感技术中是难以实现的。例如，基于电子自旋的原子蒸汽传感器更适用于极低频或高频段，而DTC在此中频范围表现出独特优势。

“时间晶体的有序结构具有高度鲁棒性，使系统能够在存在脉冲误差或样品不均匀性时依然稳定工作。”辛德勒解释，“更重要的是，我们的方案充分利用了多体系统的自旋相互作用，而不是刻意回避它们。”

虽然DTC仍被普遍认为是一种理论现象，但该团队的研究首次明确展示了其在实际应用中的可行性，为未来在量子传感领域的探索奠定了基础。

“我们提出的传感机制具有平台无关性，应该可以直接扩展到其他量子传感平台，如超导电路、离子阱或冷原子系统。”辛德勒预测，“这项成果标志着一类基于非平衡强健量子态的新型传感器的诞生。”

相关研究发表于《自然·物理》期刊，题为《用离散时间晶体感知》。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6

期刊信息：《自然物理

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