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中科大成功研制用于搜尋新粒子的單自旋量子傳感器

作者:上海自動化儀表四廠

  近日,中國科學技術大學杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室提出并實現了用于搜尋類軸子的單電子自旋量子傳感器,將搜尋的力程拓展到亞微米尺度。該成果以“Searching for an exotic spin-dependent interaction with a single electron-spin quantum sensor”為題發表在2月21日的《自然·通訊》上[Nature Communications 9, 739 (2018)]。

  尋找粒子物理標準模型之外的新粒子對于探索新物理至關重要。因為這些新粒子往往會被用于填補當前粒子物理學、天體物理和宇宙學等多方面的理論缺陷,例如,粒子質量等級問題、強CP疑難、正反物質不對稱性、以及暗物質和暗能量的物理本質。在諸多解決方案中,一類簡單有效的理論假設是引入一類超輕質量的軸子或類軸子粒子。人們猜測這類新粒子或許在電子與核子的相互作用當中扮演著新的傳遞媒介,因此這類相互作用為實驗探索新粒子提供了寶貴的機會。近年來,人們發展了一系列精巧的實驗裝置,在20微米以上的力程范圍內開展了電子與核子相互作用的搜尋。然而,在更短的力程范圍內開展實驗研究面臨一系列挑戰:如何構筑一個尺寸足夠小的傳感器?如何設計傳感器的幾何形狀從而允許電子和核子充分接近?如何提升傳感器的靈敏度,從而給出有意義的限定?如何有效隔離好環境噪聲,尤其是不可避免的電磁噪聲?

  本工作中,杜江峰團隊提出并實現了一種嶄新的探測方法,即將金剛石近表面NV色心的電子自旋用作傳感器來搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。團隊制備了離金剛石表面10納米以內的NV色心作為探測器,開發了相應的電子學設備和量子控制方法,一舉解決了上述制約短力程探索的系列難題。實驗表明新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米。研究人員在其有效力程范圍尚未發現新粒子存在的證據,為電子-核子相互作用的探索提供了新的觀測約束。這一新方法也可以推廣到其它自旋相關的新相互作用的研究,從而為利用單自旋量子傳感器來研究超出標準模型的新物理提供了可能性,有望激發宇宙學、天體物理和高能物理等多個基礎科學的廣泛興趣。審稿人高度評價該工作“是一個新穎的實驗方法,我相信這個技術會同時激發探索新型力和磁測量兩個領域的興趣”,“所展示的方法…十分具有說服力,為直接探測較大質量類軸子開辟了一個實驗窗口”。

  本工作也是科大多個學科領域交叉合作的成果,共同一作是中科院微觀磁共振重點實驗室的榮星、耿建培和王孟琪,合作者有中科大物理學院天文學系蔡一夫教授和同步輻射實驗室鄒崇文副研究員。

  該項研究得到了科技部、自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。