【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在量子傳感應(yīng)用中，熱化效應(yīng)會嚴(yán)重破壞系統(tǒng)對被測物理量所記錄的信息，這是當(dāng)前量子精密測量技術(shù)邁向?qū)嵱没媾R的一大核心限制。近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明院士、鄧東靈副教授、侯攀宇助理教授研究組首次在大規(guī)模固態(tài)自旋體系中成功觀測到多體動力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象，揭示了一種基于涌現(xiàn)守恒量的新型熱化抑制機制，并發(fā)展出增強磁場測量新方法，突破了傳統(tǒng)方案中受限于相干時間的性能瓶頸，顯著增強了微弱磁信號的探測能力。該工作為凝聚態(tài)物理、化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中兼具高空間分辨率與高靈敏度的量子傳感應(yīng)用提供了切實可行的技術(shù)途徑，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用潛力。
 

　　在量子科學(xué)中，理解由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)如何隨時間變化是一個核心難題。以生活中的現(xiàn)象為例，一滴輪廓清晰的黑墨水滴入一杯清水中，隨著時間推移，墨水慢慢擴(kuò)散，清水會變成一杯灰色的水。量子多體系統(tǒng)也會經(jīng)歷類似的過程：它們會在內(nèi)部粒子的相互作用下，逐漸喪失最初的有序特征，物理學(xué)上將這一過程稱為“熱化”。在量子傳感應(yīng)用中，這種熱化效應(yīng)會嚴(yán)重破壞系統(tǒng)對被測物理量所記錄的信息，這正是當(dāng)前量子精密測量技術(shù)邁向?qū)嵱没媾R的一大核心限制。
 

　　對于周期性驅(qū)動的量子系統(tǒng)而言，這一問題尤為突出：外部驅(qū)動往往會持續(xù)向系統(tǒng)注入能量，使系統(tǒng)最終趨向于無特征的高溫態(tài)，導(dǎo)致可觀測的信號被抹去。這一熱化過程不僅是理解非平衡量子物態(tài)的基礎(chǔ)科學(xué)挑戰(zhàn)，也直接限制了量子傳感等應(yīng)用。在許多量子精密測量平臺中，粒子自旋(微觀粒子的內(nèi)稟屬性，如一根極小的 “磁針”)之間不可避免的相互作用會導(dǎo)致熱化與退相干，進(jìn)而限制有效測量時間。
 

　　如何在有相互作用的多體系統(tǒng)中抑制熱化、延長相干時間，并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為量子精密測量的提升，是該領(lǐng)域長期關(guān)注的重要問題。
 

　　以往突破熱化限制的方式主要依賴于引入無序產(chǎn)生局域化，或采用高頻驅(qū)動誘導(dǎo)預(yù)熱化。近年來，國際理論物理學(xué)界相關(guān)研究預(yù)言，在強振幅、中等頻率的周期驅(qū)動下，量子多體系統(tǒng)可通過涌現(xiàn)守恒律進(jìn)入“動力學(xué)凍結(jié)”狀態(tài)，從而有效抑制熱化。然而，由于真實物理系統(tǒng)一般與理論模型有較大差異，理論推導(dǎo)結(jié)果的實驗實現(xiàn)需要考慮各種不完美的因素，實驗系統(tǒng)越大，需要考慮的因素越多，遇到的挑戰(zhàn)也越大，因此在真實相互作用量子多體體系中實驗觀測這一現(xiàn)象頗具挑戰(zhàn)。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊利用金剛石中約一萬個有相互作用的氮-空穴(Nitrogen-Vacancy)色心電子自旋作為實驗系統(tǒng)，通過激光完成自旋初始化和讀出，并利用全局微波場實施精確的周期驅(qū)動，使相互作用自旋系綜在特定驅(qū)動參數(shù)下進(jìn)入一種特殊的非平衡動力學(xué)狀態(tài)。在該狀態(tài)中，系統(tǒng)并不會快速熱化，而是在其相干時間的演化中保持集體自旋極化，表現(xiàn)出 “被凍結(jié)”的動力學(xué)行為。團(tuán)隊成員表示：“提升該實驗系統(tǒng)的測量靈敏度是本工作的重點之一。金剛石極其堅硬，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，利用此系統(tǒng)做精密測量或量子傳感，天然適用于各種場景，包括高溫、高壓，以及在生物或化學(xué)樣品內(nèi)等各類極端條件。”
 

　　實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動失諧與驅(qū)動頻率滿足特定凍結(jié)條件時，系統(tǒng)總自旋磁化量可在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，持續(xù)約200個驅(qū)動周期，超過體系相互作用限制的相干時間一個數(shù)量級以上；而當(dāng)驅(qū)動參數(shù)偏離凍結(jié)條件時，系統(tǒng)則迅速表現(xiàn)出熱化行為。
 

　　這一結(jié)果清晰表明，觀測到的長壽命磁化量保持來源于周期驅(qū)動誘導(dǎo)的涌現(xiàn)守恒律。該涌現(xiàn)守恒量阻止了相互作用自旋系綜的快速熱化，使系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)超通常相干時間的尺度上保持可觀測的集體量子響應(yīng)。
 

　　更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊將動力學(xué)凍結(jié)機制應(yīng)用于交流磁場測量。傳統(tǒng)量子傳感方案通常依賴動力學(xué)解耦序列來抑制環(huán)境噪聲并延長相干時間，但在相互作用較強的自旋系綜中，粒子間相互作用仍會限制最佳探測時間和測量靈敏度。而本研究展示了一條不同的路徑：利用多體驅(qū)動系統(tǒng)中的涌現(xiàn)守恒量來保護(hù)集體信號。
 

　　實驗結(jié)果表明，在相同條件下，動力學(xué)凍結(jié)傳感方案相比傳統(tǒng)周期性動力學(xué)解耦方案實現(xiàn)了約2.7倍的磁場靈敏度提升。該基于動力學(xué)凍結(jié)的量子傳感方法突破了傳統(tǒng)方案中受限于相干時間的性能瓶頸，顯著增強了微弱磁信號的探測能力。
 

　　該成果不僅首次在大規(guī)模固態(tài)自旋體系中成功觀測到多體動力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象，揭示了一種基于涌現(xiàn)守恒量的新型熱化抑制機制，更為發(fā)展基于多體動力學(xué)的量子傳感技術(shù)開辟了全新方向。
 

　　“這一方案僅需全局控制所有自旋，在物理實現(xiàn)上，相比單獨控制每一個自旋更易于實施。”團(tuán)隊成員介紹道。未來，研究組計劃深入發(fā)展和優(yōu)化基于該機制的量子傳感性能，在提升靈敏度的同時，保持該物理平臺高空間分辨率的優(yōu)勢，并將這一新型傳感方案應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等前沿交叉領(lǐng)域，具體應(yīng)用場景包括超導(dǎo)材料、鐵磁材料的磁性測量，活體細(xì)胞內(nèi)的溫度、磁場之類的物理性質(zhì)測量等。
 

　　研究成果以“基于動力學(xué)凍結(jié)增強自旋系綜磁場測量”(Dynamical freezing for magnetometry in an interacting spin ensemble)為題，于北京時間5月28日0點發(fā)表于《自然》(Nature)。
 

　　清華大學(xué)交叉信息研究院博士后盧亞男、2021級博士生袁冬為論文共同第一作者，鄧東靈、段路明、侯攀宇為論文共同通訊作者。北京大學(xué)物理學(xué)院助理教授趙宏政等參與支持該工作。
 

　　研究得到國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)篤實專項、上海期智研究院、清華大學(xué)自主科研計劃和教育部等方面的支持。
 

　　引用：交叉信息院科研團(tuán)隊首次觀測到多體動力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象 清華大學(xué)【引用時間：2026年05月28日】