离散时间晶体：用于检测微弱磁场振荡的新传感方案
来自美国和德国的物理学家近期揭示了离散时间晶体（DTCs）在传感领域的潜在应用。加州大学伯克利分校阿肖克·阿乔伊（Ajoy）领导的研究团队成功展示了这些材料在量子传感方面的实际价值，标志着这一原本被认为仅具理论意义的现象迈入了实用化的阶段。
离散时间晶体是一种独特的物质相，其结构在外部周期性驱动下呈现出非平衡态的振荡行为，且不会达到热平衡。与传统晶体在空间中周期排列不同，DTC在时间维度上表现出重复的周期性行为。
“自2017年首次实验实现以来，这类时间非平衡态引发了物理学界的广泛关注。”马克斯·普朗克复杂系统研究所的保罗·辛德勒表示，“但一个关键问题是，这种非平衡秩序是否能在现实场景中发挥作用，尚未有明确答案。”
将异域相态转化为传感机制
阿乔伊、辛德勒及其团队在最新研究中，探索了DTC在量子传感中的应用潜力。他们分析了DTC如何响应与其自然频率相匹配的磁场振荡。
在经典系统中，这种外部激励通常会导致共振现象，即系统振动被放大，但频率仍保持不变。而在DTC系统中，当外加磁场频率与晶体共振频率匹配时，振荡频率变为原有频率的两倍，这一特性显著延长了系统的寿命。值得注意的是，这种共振效应仅在极为狭窄的频率区间内发生。
“这为我们提供了一种新的传感机制，”辛德勒表示，“当信号频率与时间晶体的共振频率一致时，系统会‘激活’，从而实现对特定频率信号的高选择性探测。”与传统方法不同，这种传感机制的精度依赖于时间晶体的寿命，而非依赖于自旋之间的相互作用。
继承自时间晶体的鲁棒特性
为了验证这一传感原理，研究人员在实验中利用DTC探测了金刚石中碳原子核自旋耦合产生的极弱磁场振荡。
通过调整驱动协议，团队能够微调DTC的共振频率，使其在0.5至50 kHz范围内实现超高分辨率的振荡检测。这个频率区间在传统量子传感器（如基于原子蒸汽的电子自旋系统）中较难实现，因为这些系统通常更适合检测极低或极高频率。
“DTC继承了其时间秩序的稳定性，使得系统对实验误差和样品不均匀性具有天然的容忍度。”辛德勒指出，“此外，我们利用了多体相互作用，而非刻意抑制自旋间的耦合，这也为其他平台提供了新思路。”
尽管离散时间晶体此前多被视为一种理论上的奇观，但此次阿乔伊团队的研究首次展示了其在实际应用中的巨大潜力，为未来在精密测量和量子传感领域开辟了新路径。
辛德勒进一步表示：“我们所展示的传感原理具有平台无关的特性，有望直接应用于超导电路、囚禁离子和冷原子等不同量子传感系统。”“这一成果标志着一类新的非平衡、强健型量子传感器的诞生。”
相关研究成果已发表于《自然·物理》期刊，题为《利用离散时间晶体实现感知》。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6
《自然·物理