我国学者首次观测到多体动力学冻结现象

合肥国家实验室/清华大学段路明、邓东灵与侯攀宇研究组，首次在相互作用固态自旋系综中实验观测到多体动力学冻结现象，并基于该现象发展出增强磁场测量新方法。相关成果以"Dynamical freezing for magnetometry in an interacting spin ensemble"为题发表于国际权威学术期刊《自然》（Nature）。

Credit: Nature

量子多体系统远离平衡态的演化是凝聚态物理、原子分子光学物理和量子信息科学中的核心问题之一。通常情况下，包含大量相互作用粒子的量子系统会在自身相互作用下逐渐热化，初态中的有序信息和相干特征随时间迅速消失。对于周期性驱动的量子系统而言，这一问题尤为突出：外部驱动往往会持续向系统注入能量，使系统最终趋向于无特征的高温态，导致可观测的信号被抹去。这一热化过程不仅是理解非平衡量子物态的基础科学挑战，也直接限制了量子传感等应用。在许多量子精密测量平台中，自旋之间不可避免的相互作用会导致热化与退相干，进而限制有效测量时间。如何在有相互作用的多体系统中抑制热化、延长相干时间，并进一步将其转化为量子精密测量的提升，是该领域长期关注的重要问题。以往突破热化限制的方式主要依赖于引入无序产生局域化，或采用高频驱动诱导预热化。近年来，理论研究预言，在强振幅、中等频率的周期驱动下，量子多体系统可通过涌现守恒律进入“动力学冻结”状态，从而有效抑制热化。然而，在真实相互作用量子多体体系中实验观测这一现象，此前仍颇具挑战。

图1 金刚石自旋系综动力学冻结示意图

针对这一挑战，研究团队利用金刚石中约一万个有相互作用的氮-空穴（Nitrogen-Vacancy）色心电子自旋作为实验系统，通过激光完成自旋初始化和读出，并利用全局微波场实施精确的周期驱动，使相互作用自旋系综在特定驱动参数下进入一种特殊的非平衡动力学状态。在该状态中，系统并不会快速热化，而是在长时间演化中保持集体自旋极化，表现出 “被冻结”的动力学行为。实验发现，当驱动失谐与驱动频率满足特定冻结条件时，系统总自旋磁化量可在长时间内保持稳定，持续约200个驱动周期，超过体系相互作用限制的相干时间一个数量级以上；而当驱动参数偏离冻结条件时，系统则迅速表现出热化行为。这一结果清晰表明，观测到的长寿命磁化量保持来源于周期驱动诱导的涌现守恒律。该涌现守恒量阻止了相互作用自旋系综的快速热化，使系统能够在远超通常相干时间的尺度上保持可观测的集体量子响应。

图2 氮-空穴色心自旋系综中的动力学冻结现象

更进一步，研究团队将动力学冻结机制应用于交流磁场测量。传统量子传感方案通常依赖动力学解耦序列来抑制环境噪声并延长相干时间，但在相互作用较强的自旋系综中，粒子间相互作用仍会限制最佳探测时间和测量灵敏度。而本研究展示了一条不同的路径：利用多体驱动系统中的涌现守恒量来保护集体信号。实验结果表明，在相同条件下，动力学冻结传感方案相比传统周期性动力学解耦方案实现了约2.7倍的磁场灵敏度提升。该基于动力学冻结的量子传感方法突破了传统方案中受限于相干时间的性能瓶颈，显著增强了微弱磁信号的探测能力。

图3 基于动力学冻结机制增强的磁场测量

该成果不仅首次在真实固态自旋体系中观测到了多体动力学冻结的现象，揭示了一种基于涌现守恒量的新型热化抑制机制，也为发展基于多体动力学的量子传感技术开辟了新的方向，具有重要的科学意义与应用潜力。该方案仅需全局控制、易于实施，为凝聚态物理、化学及生物医学等领域中兼具高空间分辨率与高灵敏度的量子传感应用提供了切实可行的技术途径。

该研究工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金、清华大学笃实专项、上海期智研究院、清华大学自主科研计划以及教育部等方面的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10585-6

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