离散时间晶体作为弱磁振荡的可用传感器

美国和德国的物理学家揭示了离散时间晶体的奇特特性，可以用来探测极其微妙的磁场振荡。加州大学伯克利分校阿肖克·阿乔伊领导的团队首次展示了这些奇异材料的实际用途，远超目前作为不切实际奇观的阶段。

离散时间晶体（DTCs）是一种完全打破经典材料规则的奇异物质相。普通晶体由原子或分子图案组成，这些图案在空间中以规律间隔重复，而DTC的结构在外部协议驱动下会不断以重复周期振荡，且从未达到热平衡。

“自2017年首次实验演示以来，围绕这些状态引发了极大的兴奋，”马克斯·普朗克复杂系统研究所的合著者保罗·辛德勒解释道。“然而，一个持续存在的问题仍未得到解答：这种异域秩序能否被用于实际应用？”

利用异域阶段

在他们的研究中，阿乔伊、辛德勒及其同事探讨了如何利用DTC的振荡来制造一个可工作的量子传感器。在他们的研究中，他们首先考虑了DTC如何响应以自身自然频率振荡的磁场。

在经典物理中，这种力会驱动振荡系统共振——放大其振动，同时保持其固有频率。相比之下，共振DTC会调整到驱动力频率的两倍，从而显著延长其寿命。然而，像普通晶体一样，这只能在极其狭窄的驱动频率窗口内发生。

“我们把它转化为一种传感原理：时间晶体本质上只有在信号频率与共振匹配时才会'亮起'，从而给我们提供了窄带探测器，”辛德勒说。重要的是，与传统方法不同，精度由时间晶体的寿命决定，而非传感器自旋之间的相互作用。”

继承的鲁棒性

为了证明这一原理，研究人员使用DTC探测到与金刚石中碳原子核自旋耦合的极弱振荡磁场。

通过调整用于生成晶体的驱动协议，他们可以微调谐共振发生的频率窗口。这使得传感器能够以极高分辨率检测振荡，频率范围为0.5至50 kHz。这种范围以其他类型的量子传感器（如电子自旋等原子蒸气系统）难以捕捉而著称，这些传感器更适合极低或极高频率。

辛德勒解释道：“关键是，它继承了时间晶体有序的鲁棒性，使其能够抵抗脉冲误差和样品不均匀性等实验缺陷。”“更何况，我们的传感器利用多体相互作用，而不是试图绕过自旋之间的相互作用。”

目前，物理学家们仍将DTC视为一种引人入胜但最终不切实际的现象。但这是首次，Ajoy团队的结果明确展示了其有意义应用的潜力——或许为其在前沿实验中的应用铺平了道路。

辛德勒预测：“我们展示的传感原理是平台无关的，应该能直接应用于多种量子传感平台，如超导电路、困住离子和冷原子。”“这一发现开启了一类新的非平衡基础强健量子传感器。”

Leo Joon Il Moon 等，《用离散时间晶体感知》，《自然物理》（2026）。DOI：10.1038/s41567-025-03163-6

期刊信息：《自然物理》 

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