离散时间晶体在微弱磁振荡探测中的新应用
来自美国和德国的物理学家近期揭示了一种新型传感器潜力，其核心在于利用离散时间晶体（DTCs）对微弱磁场振荡的敏感响应。这项研究成果由加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊（Aashish Ajoy）领导的团队完成，标志着这些曾被视为理论奇观的材料，首次展现出实际应用的可能性。
离散时间晶体是一种非平衡态的量子物质相，其结构在外部周期性驱动下，以固定时间间隔持续振荡，且不会趋于热平衡。与传统晶体在空间中周期重复不同，DTC在时间维度上表现出类似秩序，使其成为一种突破传统物质分类的特殊状态。
“自2017年首次实验实现以来，这一领域引起了广泛兴趣。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒（Pauline P. Schindler）指出，“但一个关键问题一直悬而未决——这种时间维度上的有序结构是否可以被转化为实用技术？”
从奇异结构到传感原理
在最新的研究中，阿乔伊、辛德勒与研究团队探索了如何利用DTC的固有振荡特性，构建一种具备高灵敏度的量子传感器。他们的实验重点在于观察DTC在受到与其固有频率一致的磁场驱动时的响应。
在经典力学体系中，这样的驱动通常会引发共振，从而放大系统振动幅度。然而在DTC中，共振表现为系统响应频率翻倍，进而显著延长其寿命。这种现象只在极窄的驱动频率范围内出现，与传统晶体共振的宽频特性形成鲜明对比。
“我们将这一特性转化为一种传感机制：当外加磁振荡频率与晶体固有频率匹配时，DTC会表现出明显的响应，从而形成一种高精度窄带探测器。”辛德勒解释道，“值得注意的是，这种传感器的精度主要取决于时间晶体的寿命，而非传统方法中依赖的自旋相互作用。”
鲁棒性与实际验证
为了验证该传感机制，研究人员在实验中使用DTC探测了与金刚石晶格中碳原子核自旋耦合的极微弱磁场振荡。通过调整驱动协议，他们实现了对共振频率的精确调节，使得传感器可在0.5至50 kHz频率范围内工作。
这一频率区间在传统量子传感系统中较难覆盖。例如，基于电子自旋的原子蒸气传感器通常适用于极低或极高频率范围，而DTC传感器恰好填补了其中的空白。
辛德勒进一步指出：“DTC所具有的时间秩序赋予了系统对实验误差的强鲁棒性。例如，它能够有效抵抗脉冲失准与样品不均匀性等干扰。”他补充道，“更重要的是，我们并未试图屏蔽自旋之间的相互作用，而是巧妙地利用了多体系统中的耦合特性。”
尽管DTC仍被视为一种前沿实验现象，Ajoy团队的研究首次明确了其在传感领域的实际潜力，为未来在量子传感平台中的应用奠定了基础。
“我们提出的传感机制具备平台无关性，”辛德勒总结，“它理论上可以扩展至多种量子系统，例如超导电路、被捕获离子以及冷原子系统。这标志着一类全新的非平衡态强健量子传感器的诞生。”
相关成果发表在《自然物理》（Nature Physics），题为《用离散时间晶体感知》（Perceiving with Discrete Time Crystals），DOI：10.1038/s41567-025-03163-6。