北京航空航天大學大科學裝置研究院教授魏凱團隊聯合北京大學，通過創新量子測量技術，為探測暗物質等研究開辟了重要途徑。日前，相關研究成果發表于《物理學進展報告》和《物理評論快報》。
暗物質是宇宙中一種看不見、摸不著的神秘物質，它不發光也不反射光，但通過引力效應影響著星系的運動，盡管至今仍未直接探測到它的存在。量子精密測量技術通過操控微觀粒子的量子態，可以捕捉到極其微弱的信號，為尋找暗物質提供了新方法。
傳統暗物質的自旋共振探測方法類似于用收音機搜索特定頻率的電臺，逐步搜索速度慢且信號太弱時容易遺漏。該團隊研發的“混合自旋共振探測技術”開辟了微弱信號寬譜探測新范式，就像升級了的收音機，能實現更多頻段和更微弱信號的同時搜尋。
團隊將氖、銣、鉀三種氣體原子巧妙地組合在一起，通過精確調控磁場，讓它們產生協同效應，就像足球場上統一指揮形成的人浪，不再是雜散的人群，大幅提升了探測的靈敏度和響應范圍。這項技術將暗物質等微弱信號的探測能力提升了上千倍，在0.01赫茲到1000赫茲的寬廣頻率范圍內，相當于從鐘擺擺動到高音喇叭的頻率范圍，實現全球領先的軸子暗物質探測靈敏度，部分指標超越普林斯頓大學等國際知名實驗室紀錄及天文學觀測指標紀錄。
據魏凱介紹，這項核心技術突破也同時應用于探測暗物質傳遞的第五種力。團隊在自主研發的原子共磁儀中引入了“軟磁套硬磁”結構，結合多重磁屏蔽和核自旋自補償技術，就像給精密儀器穿上多層防護服，將干擾信號降低了千萬倍。雖然沒有直接發現第五種力信號，但在“軸子窗口”（0.01–0.1meV）區域，給出了中子-電子、質子-電子耦合系數嚴格的測量限制，尤其在0.02meV軸子質量處，探測靈敏度比以往提升了超過1萬倍，為尋找軸子類暗物質提供了重要線索。
“兩項研究均以量子自旋系統精密操控為核心，通過共磁儀技術創新，將量子測量性能提升至全新的水平。”魏凱表示，該技術保持國際最高的量子能級靈敏度紀錄，達到10-24eV/Hz1/2量級，約為一個可見光子能量的1/1024，相當于太平洋水的總質量中，可以分辨出幾滴水的變化。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1088/1361-6633/adca52
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.181801
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