离散时间晶体在弱磁振荡探测中的应用潜力
美国和德国的物理学家近期揭示了离散时间晶体在探测微弱磁场振荡方面的潜力。由加州大学伯克利分校阿肖克·阿乔伊领导的研究团队首次展示了这类材料在实际应用中的价值，突破了其此前仅作为理论奇观的局限。
离散时间晶体（DTCs）是一种打破传统晶体学概念的非平衡物质态。常规晶体在三维空间中呈现出周期性排列，而DTC则在外部周期性驱动作用下展现出时间维度上的周期性振荡，并始终处于远离热平衡的非平衡态。
“自2017年首次实现实验观测以来，这类系统引发了广泛的研究热情。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒指出，“然而，一个核心问题始终未解：这种独特的时空序态是否具备实际应用价值？”
从异质结构到传感机制
在最新研究中，阿乔伊、辛德勒及研究伙伴尝试将DTC的振荡特性转化为一种可行的量子传感机制。他们首先研究了DTC对与其自然频率一致的磁场振荡的响应。
在经典物理中，这种外部驱动会使振荡系统进入共振状态，放大其振幅并维持其固有频率。而在DTC中，共振则表现为响应频率翻倍，从而显著提升其稳定性。值得注意的是，这种效应仅在极窄的驱动频率范围内出现。
“我们将这一现象转化为传感机制：当外部信号频率与DTC共振频率相匹配时，系统会表现出显著响应，相当于一个高度选择性的窄带探测器。”辛德勒进一步解释道。关键在于，这种传感器的精度取决于DTC的寿命，而非依赖传感器内部自旋之间的耦合。
鲁棒性带来的优势
研究团队利用DTC成功探测到了与金刚石中碳-13核自旋耦合的极弱振荡磁场。
通过调节用于激发DTC的外部驱动协议，研究人员能够精细调整其共振频率窗口。这使得装置在0.5至50 kHz的频率区间内，以极高的灵敏度捕捉振荡信号。这一频段传统量子传感器难以覆盖，如基于电子自旋的原子蒸汽系统通常适用于极低或超高频范围。
“这种传感方案继承了DTC的鲁棒性，能有效抵抗脉冲误差和样品不均匀性等实验噪声。”辛德勒补充道，“此外，我们的方法利用了多体系统中的自旋-自旋相互作用，而非人为屏蔽此类相互作用。”
尽管DTC此前常被视为一种理论上的新奇态，但阿乔伊团队的研究首次为其实用价值提供了实证支持，为未来在量子传感领域的应用奠定了基础。
辛德勒认为：“我们展示的传感原理具有平台无关性，适用于多种量子传感系统，如超导量子电路、囚禁离子及超冷原子平台。”他强调，这项成果开启了一种基于非平衡态的新型鲁棒量子传感器路径。
相关研究成果由Leo Joon Il Moon等人发表于《自然·物理》2026年刊。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6
期刊信息：《自然·物理》