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了离散时间晶体（DTC）的独特性质，表明其可用于探测微弱磁场的周期性波动。由加州大学伯克利分校阿肖克·阿乔伊（Ajoy）领导的这项研究，标志着该类非平衡态物质从理论奇观向实用工具的关键转变。
离散时间晶体是一种突破传统材料行为范式的非平衡物质态。与普通晶体在空间上呈周期性排列不同，DTC在外部周期性驱动下表现出时间维度上的周期性响应，并不会进入热平衡状态。
“自2017年首次实现实验验证以来，这一现象引发了物理学界广泛关注。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒指出，“然而，一个关键问题一直悬而未决：这种非平衡有序是否具备实际应用价值？”
挖掘非平衡有序的潜力
在最新研究中，阿乔伊与辛德勒团队探索了如何利用DTC的时间周期性行为开发实际的量子传感器。他们关注DTC对与其本征频率一致的周期性磁场的响应。
在经典系统中，外加周期力会引发共振，从而放大系统的振动幅度，但振动频率保持不变。而在DTC中，系统会与驱动频率同步，但表现出两倍于原始频率的振荡，这种行为显著提升了其稳定性。值得注意的是，这种共振仅在极窄的频率范围内发生。
“我们将其转化为一种传感机制：当外部信号频率与DTC的共振频率匹配时，时间晶体会表现出特定响应，从而实现窄带探测。”辛德勒解释道，“与传统方法不同，这种探测的精度主要依赖于晶体的寿命，而不是自旋之间的直接耦合。”
强健性的继承与优化
为了验证这一理念，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低振幅磁场。通过调整驱动协议，他们成功实现了频率窗口的微调，使得传感器在0.5至50 kHz范围内具备高精度检测能力。
这一频段传统上难以用其他类型量子传感器覆盖，例如基于电子自旋的原子蒸气系统，通常更适合用于极低频或高频区域。
“DTC的关键优势在于其对系统非理想条件的强健性。”辛德勒指出，“它继承了时间晶体有序结构的稳定性，使其能够抵抗驱动脉冲误差和样本不均匀性等实验缺陷。”“更重要的是，我们的方案利用了自旋之间的多体相互作用，而不是刻意规避它们。”
尽管DTC此前多被视为理论上的研究对象，Ajoy团队的成果首次展示了其在实际工程中的应用前景，可能为未来量子传感平台的发展奠定基础。
辛德勒进一步指出：“我们提出的方法具有平台无关性，未来可直接应用于多种量子传感平台，如超导电路、囚禁离子系统及冷原子体系。”“这一发现打开了非平衡强健量子传感器的新研究方向。”
相关成果以《用离散时间晶体感知》为题发表在《自然·物理》期刊，2026年。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6
期刊信息：《自然·物理》