离散时间晶体作为检测微弱磁振荡的新传感器
美国与德国的研究人员揭示了离散时间晶体（DTC）中一种独特行为，表明其可用于探测极为微弱的磁场振荡。由加州大学伯克利分校的阿肖克·阿乔伊（Ajoy）领导的团队首次展示，这些原本被视为理论奇观的材料，如今具备潜在的实际应用价值。
离散时间晶体是一种突破传统材料行为范式的物质状态。与在空间上重复排列的普通晶体不同，DTC 在外加驱动作用下呈现出周期性的时间演化，其动态始终保持在非平衡状态。
“自 2017 年首次实验实现以来，这类状态引发了广泛的兴趣，”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒表示。“然而，一个核心问题始终悬而未决：这种非传统的量子秩序是否具有可实现的实际功能？”
探索异质相的应用潜力
在最新研究中，阿乔伊、辛德勒及合作者尝试利用 DTC 的周期性振荡，构建一种功能型的量子传感器。研究首先聚焦于 DTC 对与自身固有频率相匹配的磁场振荡的响应。
在经典物理中，系统在受到与自身频率一致的外部激励时会进入共振状态，振动幅度被放大，但仍维持固有频率。而在 DTC 系统中，共振行为表现为系统振荡频率变为激励频率的两倍，并显著延长其寿命。然而，这种现象仅在极为狭窄的频率范围内发生。
“我们将这一现象发展为一种传感机制：时间晶体仅在驱动信号频率与共振频率精确匹配时才会产生可检测的响应，从而形成一种高选择性探测器，”辛德勒指出。与传统方法不同，该传感器的精度主要依赖于时间晶体的寿命，而非依赖于传感器中自旋之间的耦合。
系统鲁棒性的继承
为验证这一机制，团队使用 DTC 成功探测了与金刚石中碳原子核自旋相互作用的微弱振荡磁场。
通过调节生成时间晶体的驱动参数，研究人员实现了对共振频率窗口的精准调节，从而在 0.5 至 50 kHz 的频率范围内实现高分辨率检测。这一频段对传统的量子传感器（如基于电子自旋的原子蒸气系统）而言检测难度较大，通常更适合用于极端低频或高频信号。
“关键在于，传感器继承了时间晶体的结构鲁棒性，使其对外界干扰如脉冲误差、样品不均匀性等具有较强的抗干扰能力，”辛德勒解释道。“此外，我们的方法利用了多体相互作用，而非刻意削弱自旋之间的耦合。”
尽管 DTC 一度被视为一种理论上的奇观，缺乏实用价值，但 Ajoy 团队的工作首次展示了其在传感领域的应用潜力，并有望推动其在前沿量子实验中的广泛应用。
辛德勒进一步表示：“我们提出的传感机制具有平台无关的特性，可直接扩展至多种量子传感系统，如超导电路、离子阱和冷原子系统。”“这一成果标志着一类新型强健、非平衡量子传感器的出现。”
相关研究发表于《自然·物理》杂志，题为《用离散时间晶体感知》（Sensing with Discrete Time Crystals），DOI：10.1038/s41567-025-03163-6。
期刊信息：《自然·物理》