在量子传感应用中，热化效应会严重破坏系统对被测物理量所记录的信息，这是当前量子精密测量技术迈向实用化面临的一大核心限制。近日，清华大学交叉信息研究院段路明院士、邓东灵副教授、侯攀宇助理教授研究组首次在大规模固态自旋体系中成功观测到多体动力学冻结现象，揭示了一种基于涌现守恒量的新型热化抑制机制，并发展出增强磁场测量新方法，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。该工作为凝聚态物理、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，具有重要的科学意义与应用潜力。

在量子科学中，理解由大量粒子构成的系统如何随时间变化是一个核心难题。以生活中的现象为例，一滴轮廓清晰的黑墨水滴入一杯清水中，随着时间推移，墨水慢慢扩散，清水会变成一杯灰色的水。量子多体系统也会经历类似的过程：它们会在内部粒子的相互作用下，逐渐丧失最初的有序特征，物理学上将这一过程称为“热化”。在量子传感应用中，这种热化效应会严重破坏系统对被测物理量所记录的信息，这正是当前量子精密测量技术迈向实用化所面临的一大核心限制。

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，粒子自旋（微观粒子的内禀属性，如一根极小的 “磁针”）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，国际理论物理学界相关研究预言，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，由于真实物理系统一般与理论模型有较大差异，理论推导结果的实验实现需要考虑各种不完美的因素，实验系统越大，需要考虑的因素越多，遇到的挑战也越大，因此在真实相互作用量子多体体系中实验观测这一现象颇具挑战。

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，而是在其相干时间的演化中保持集体自旋极化，表现出 “被冻结”的动力学行为。团队成员表示：“提升该实验系统的测量灵敏度是本工作的重点之一。金刚石极其坚硬，且化学性质稳定，利用此系统做精密测量或量子传感，天然适用于各种场景，包括高温、高压，以及在生物或化学样品内等各类极端条件。”

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

该成果不仅首次在大规模固态自旋体系中成功观测到多体动力学冻结现象，揭示了一种基于涌现守恒量的新型热化抑制机制，更为发展基于多体动力学的量子传感技术开辟了全新方向。

“这一方案仅需全局控制所有自旋，在物理实现上，相比单独控制每一个自旋更易于实施。”团队成员介绍道。未来，研究组计划深入发展和优化基于该机制的量子传感性能，在提升灵敏度的同时，保持该物理平台高空间分辨率的优势，并将这一新型传感方案应用于凝聚态物理、化学及生物医学等前沿交叉领域，具体应用场景包括超导材料、铁磁材料的磁性测量，活体细胞内的温度、磁场之类的物理性质测量等。

研究成果以“基于动力学冻结增强自旋系综磁场测量”（Dynamical freezing for magnetometry in an interacting spin ensemble）为题，于北京时间5月28日0点发表于《自然》（Nature）。

清华大学交叉信息研究院博士后卢亚男、2021级博士生袁冬为论文共同第一作者，邓东灵、段路明、侯攀宇为论文共同通讯作者。北京大学物理学院助理教授赵宏政等参与支持该工作。

研究得到国家科技重大专项、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和教育部等方面的支持。