中國科大在量子精密測量和暗物質(zhì)探測領(lǐng)域同時取得重大進
11月18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(fā)出一種新型的超靈敏量子精密測量技術(shù)，利用該新技術(shù)進一步開展了暗物質(zhì)的實驗直接搜尋，實驗結(jié)果比先前的國際最好水平提升至少5個數(shù)量級，并首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限。相關(guān)研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”為題在線發(fā)表于國際知名學術(shù)期刊《Nature Physics》上。 cq=R
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大量的天文學觀測表明，宇宙物質(zhì)組成中的絕大部分為暗物質(zhì)，占到了約85%，而我們所熟悉的普通物質(zhì)只占約15%。但是人們對于暗物質(zhì)到底是什么，暗物質(zhì)粒子質(zhì)量及其性質(zhì)等，卻知之甚少。目前暗物質(zhì)的熱門候選粒子包括弱相互作用大質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)存在的直接證據(jù)。 -q Er-[z
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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(yīng)（右） ueg X
彭新華研究組利用氣態(tài)氙和銣原子混合蒸氣室，發(fā)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(shù)，實現(xiàn)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(yīng)：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(yōu)勢：首先該技術(shù)利用激光先極化銣原子蒸氣，再利用銣與氣態(tài)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(tǒng)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(tǒng)方法。其次，傳統(tǒng)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(fù)雜度�；谠撐锢頇C制，研究人員設(shè)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(shè)備。進一步，研究人員將這臺自旋放大器與團隊已發(fā)展的原子磁力計相結(jié)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]。 }I10hy~W
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量子精密測量技術(shù)可以實現(xiàn)超高靈敏度的磁場探測，這也為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性手段。大量的理論預(yù)測暗物質(zhì)與原子核會發(fā)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(zhì)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(zhì)產(chǎn)生的“贗磁場”，大大提高了暗物質(zhì)的搜尋靈敏度，完成了feV-peV低能區(qū)暗物質(zhì)的實驗直接搜尋。獲得的暗物質(zhì)與原子核耦合強度界限優(yōu)于國際最佳界限（由CASPEr組2019年公布）至少5個數(shù)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(tǒng)大型暗物質(zhì)科學裝置，整個儀器設(shè)備只需桌面尺寸的空間布局。 LtU+w*Gj
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