【儀表網 儀表研發】導讀：近日，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的Dmitry Budker教授組合作，開發出一種新型的超靈敏量子精密測量技術，利用該新技術進一步開展了暗物質的實驗直接搜尋，實驗結果比先前的國際最好水平提升至少5個數量級，并首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限。相關研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”為題在線發表于國際知名學術期刊《Nature Physics》上。
 

　　大量的天文學觀測表明，宇宙物質組成中的絕大部分為暗物質，占到了約85%，而我們所熟悉的普通物質只占約15%。但是人們對于暗物質到底是什么，暗物質粒子質量及其性質等，卻知之甚少。目前暗物質的熱門候選粒子包括弱相互作用大質量粒子(Weakly Interacting Massive Particle， WIMP)、軸子(axion)，暗光子(dark photon)等。為了尋找這些神秘的暗物質粒子，各個國家紛紛布局了一系列國家級甚至世界級暗物質探測的實驗探測計劃，譬如DAMPE、PandaX、CDEX、ADMX和CAST等。然而，盡管科學家們做出了不懈的努力，目前還沒有找到暗物質存在的直接證據。
 

圖1:本工作提出的自旋放大器基本原理(左)；超靈敏磁場放大效應(右)
 

　　彭新華研究組利用氣態氙和銣原子混合蒸氣室，發明了具有超高靈敏度和“桌面式”的新型核自旋量子測量技術，實現了迄今為止國際最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。該工作報道了一種全新的自旋放大效應：當外界待測磁場的頻率接近氙原子的塞曼頻率，待測磁場的強度可以被氙原子顯著放大至少100倍[如圖1左]。這種新的放大機制完全不同于以往的機制，具有多方面的突出優勢：首先該技術利用激光先極化銣原子蒸氣，再利用銣與氣態氙原子的自旋交換碰撞，從而將氙原子的核自旋極化。相比傳統熱極化方法(氙核自旋極化度僅僅為～10-6)，本研究利用光極化的方法獲得了接近0.3的自旋極化度，遠超過傳統方法。其次，傳統方法采用對氙原子進行外部探測，而本研究通過銣原子與氙原子的隨機自旋交換碰撞，就可以將氙原子的信號高靈敏讀出，極大的簡化了裝置體積和復雜度。基于該物理機制，研究人員設計出了第一臺磁場量子放大器，并命名為“spin-based amplifier”(“自旋放大器”)，該放大器具有超低磁場本底噪聲，是極佳的磁場放大設備。進一步，研究人員將這臺自旋放大器與團隊已發展的原子磁力計相結合，將原子磁力計的磁探測靈敏度提高了100倍，達到fT靈敏度水平(1fT=10-15T)[如圖1右]。
 

　　量子精密測量技術可以實現超高靈敏度的磁場探測，這也為暗物質搜尋提供了變革性手段。大量的理論預測暗物質與原子核會發生極微弱的相互作用，這種相互作用相當于在原子核自旋上施加一個微小磁場(又稱為“贗磁場”)。利用超靈敏磁場探測裝置可以檢驗這一微小的贗磁場，以此來尋找暗物質粒子存在的跡象。 彭新華研究組巧妙地利用自旋放大器來放大暗物質產生的“贗磁場”，大大提高了暗物質的搜尋靈敏度，完成了feV-peV低能區暗物質的實驗直接搜尋。獲得的暗物質與原子核耦合強度界限優于國際最佳界限(由CASPEr組2019年公布)至少5個數量級，并且首次突破宇宙天文學界限(SN1987A)，如圖2所示。相比傳統大型暗物質科學裝置，整個儀器設備只需桌面尺寸的空間布局。
 

　　圖2:本研究的暗物質搜尋結果：暗光子與原子核的耦合界限(左)，軸子與原子核的耦合界限(右)
 

　　三位審稿人均高度評價該工作“I think the result is of great interest for the larger physics community”(這個結果將引起物理學家的廣泛興趣)“ This is a significant advance for the field”(軸子搜尋領域的重要進展)“the result is original and will be of interest for physics community working in axion detection and astrophysical observations.”(該原創工作將激發軸子搜尋和天文觀測領域的廣泛興趣)。這一成果充分展示了量子精密測量技術與暗物質探測的交叉融合，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。
 

　　彭新華研究組一直致力于核磁共振體系量子信息處理的實驗研究，在量子計算，量子模擬，量子控制，量子精密測量等重要課題方面開展了系統性的研究，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。研究組經歷了從依賴于商品化儀器，到自主搭建量子精密測量平臺，以此為世界科技前沿難題提供“獨辟蹊徑”的解決思路。特別是近期將量子精密測量技術用于搜尋新粒子，取得了多項國際領先水平的成果(如圖3)，提升我國在新粒子探測領域的國際地位。
 

圖3：研究歷程以及取得的重要研究進展
 

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗室江敏副研究員和蘇昊文博士研究生為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省的資助。