清華大学研究チーム、多体系動力学凍結を初観測 (Tsinghua researchers observe many-body dynamical freezing for the first time)

2026-05-28 清華大学

清華大学学際情報科学研究所(IIIS)の研究チームは、相互作用する量子多体系において「動的凍結(Dynamical Freezing)」と呼ばれる非平衡量子現象を初めて実験的に観測した。研究では、ダイヤモンド中の約1万個の窒素空孔(NV)センター電子スピン集団を用い、特定の周期的マイクロ波駆動条件下でスピン系の熱化を抑制できることを実証した。通常、量子多体系は時間とともに熱化してコヒーレンスや初期状態の情報を失うが、本研究では創発的保存則の形成によりスピン磁化が200サイクル以上維持され、相互作用による通常のコヒーレンス時間を大幅に超える長寿命状態が実現された。さらに、この動的凍結を磁場センシングへ応用した結果、従来のダイナミカルデカップリング法と比較して約2.7倍高い感度を達成した。本成果は量子熱化の制御に新たな手法を示すとともに、高感度・高空間分解能を備えた量子センサーの実現に向けた重要な進展であり、物性物理学、化学、生物医学分野への応用が期待される。

清華大学研究チーム、多体系動力学凍結を初観測 (Tsinghua researchers observe many-body dynamical freezing for the first time)
Figure 1. Schematic illustration of dynamical freezing in a diamond spin ensemble.

<関連情報>

相互作用するスピンアンサンブルにおける磁気計測のための動的凍結 Dynamical freezing for magnetometry in an interacting spin ensemble

Ya-Nan Lu,Dong Yuan,Yixuan Ma,Yan-Qing Liu,Si Jiang,Xiang-Qian Meng,Yi-Jie Xu,Xiu-Ying Chang,Chong Zu,Hong-Zheng Zhao,Dong-Ling Deng,Lu-Ming Duan & Pan-Yu Hou
Nature  Published:27 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10585-6

Abstract

Understanding and controlling non-equilibrium dynamics in quantum many-body systems is a fundamental challenge in modern physics1,2,3,4,5, with profound implications for advancing quantum technologies. Typically, periodically driven systems in the absence of conservation laws thermalize to a featureless ‘infinite-temperature’ state, erasing all memory of their initial conditions6,7,8. However, this pattern can break down through mechanisms such as integrability9, many-body localization2,3,10,11, quantum many-body scars4 and Hilbert space fragmentation12,13. Here we report the experimental observation of dynamical freezing, a distinct mechanism of thermalization breakdown in driven systems14,15,16,17,18,19, and demonstrate its application in quantum sensing using an ensemble of approximately 104 interacting nitrogen-vacancy (NV) spins in diamond. By precisely controlling the driving frequency and detuning, we observe emergent long-lived spin magnetization and coherent oscillatory micromotions, persisting over timescales exceeding the interaction-limited coherence time (T2) by more than an order of magnitude. By using these unconventional dynamics, we develop a dynamical-freezing-enhanced a.c. magnetometry that extends optimal sensing times far beyond T2, outperforming conventional dynamical decoupling magnetometry with a 2.7-fold sensitivity enhancement. Our results not only provide clear experimental observation of dynamical freezing—a peculiar mechanism defying thermalization through emergent conservation laws—but also establish a robust control method generally applicable to diverse physical platforms, with broad implications in quantum metrology and beyond.

0403電子応用
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