ScienceAdvances:中科大利用量子精密測量技術檢驗相互作用

　　11月17日,中國科大中科院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和德國亥姆霍茲研究所Dmitry Budker教授合作，利用本團隊近期發展的量子精密測量技術，實現了對一類超越標準模型的新相互作用的超靈敏檢驗，實驗界限比先前的國際最好水平提升至少2個數量級。相關研究成果以“Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier”為題在線發表于國際知名學術期刊《Science Advances》上[Sci. Adv.7, eabi9535 (2021)]。

　　研究粒子及其相互作用是基礎科學的核心，而標準模型則是目前公認最成功的理論。在其框架內，電磁相互作用由光子傳遞，弱相互作用由W及Z玻色子傳遞。然而，標準模型依舊無法解釋當前宇宙天文學的一些重要觀測事實，譬如暗物質和暗能量。因此物理學家普遍認為存在超越標準模型的新粒子，譬如弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、軸子（axion）、暗光子（dark photon）等。這些新粒子可以作為傳播子，傳遞標準模型粒子之間的新相互作用。諾貝爾物理學獎得主Wilczek在1984年提出軸子可以作為傳播子誘導出新的自旋相互作用，并在2004年進一步提出自旋體系可以用來搜尋這種新自旋相互作用。隨后，在2006年物理學家Dobrescu 和 Mocioiu 考慮傳播子為一般玻色子的情形，引入15種新奇自旋相互作用，這為新粒子及其新相互作用的實驗搜尋提供了更廣闊的研究思路。一旦這些新粒子及新相互作用被實驗發現，必將是諾貝爾獎級別的工作。但因新自旋相互作用的效應十分微弱，目前實驗搜尋極具挑戰性，亟需探索新方法來提升實驗靈敏度。

圖1 檢驗新相互作用的實驗裝置和相應的磁探測靈敏度。

　　針對以上難題，彭新華研究組利用近期發展的量子自旋放大器技術[Nat. Phys. 2021]，實現了對待測磁信號2個數量級的放大（如圖1所示），并進一步用于一類速度依賴的新相互作用的實驗檢驗。物理學家Dobrescu等人預測，存在一種超越標準模型的自旋為1的Z’玻色子，在運動的質量源與核自旋之間傳遞新相互作用，其作用強度正比于質量源的相對速度及質量大小。因此，本研究采用一塊高密度BGO晶體，并將其高速轉動，從而誘導出BGO晶體和自旋放大器中氙核自旋的相互作用。更近一步研究發現，這種新相互作用等效于在原子核上產生一個交流震蕩磁場，因此可以將新相互作用的測量轉化為磁場測量。量子自旋放大器技術能夠以超低噪聲水平放大待測磁場，因此可以大大提高新相互作用的搜尋靈敏度。針對可能的技術噪聲的干擾，研究人員巧妙地利用新相互作用速度依賴的特性，對震動和經典磁場等干擾信號進行的有效排除。本工作的實驗結果表明，在搜尋范圍未發現新粒子存在的證據，并由此給出一類新波色子與原子核耦合界限，其優于以前國際最佳界限至少2個數量級[如圖2(a)和(b)所示]。

圖2 新奇相互作用實驗界限（a）提升至少4個數量級。（b）提升至少2個數量級。

　　審稿人對這一工作高度評價“I therefore recommend publication of this work for its scientific impact, application of a new experimental method in this field, and strong potential for future improvements.（考慮到這個工作在新奇相互作用探索領域應用了一種新的實驗技術和未來廣泛的應用前景，我因此極力推薦發表工作）”。這一成果展示了量子精密測量技術與基礎物理檢驗的有機結合，說明利用核自旋量子放大器來研究各種超越標準模型的新物理具有獨特優勢，有望激發宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學的廣泛興趣。

　　彭新華研究組長期瞄準量子精密測量領域，利用量子精密測量技術來解決世界前沿科學問題。包括于2018年自主研發出超靈敏原子磁力計，并且利用該技術實現了無需磁場的新型核磁共振技術，“零磁場核磁共振” [Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)]；于2019年至2020年發展新型原子磁力儀技術[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020)，Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，達到了國際領先水平的磁場探測靈敏度；通過進一步研究，于2021年實現了新型的自旋微波激射器，在低頻段創造了國際最佳的磁探測靈敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，彭新華研究組將已發展的平臺型量子精密測量技術用于尋找新粒子，取得了一系列對推動學科領域發展有實質性貢獻的研究成果。包括于2021年利用新型量子自旋放大器搜尋暗物質候選粒子，首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限[Nat.Phys. (2021)，DOI：10.1038/s41567-021-01392-z]。

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生蘇昊文和王元泓為該文共同第一作者，彭新華教授和江敏副研究員為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9535

　　量子自旋放大技術論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01392-z