中国科大用于搜寻暗物质的量子精密测量技术，首次突破宇宙天文学界限

来源：中国科学技术大学

最近，中国科大中科院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和德国亥姆霍兹研究所Dmitry Budker教授组合作，报告了两项量子精密测量领域的重大进展。

其中一项研究，他们利用一种新型的超灵敏量子精密测量技术进一步开展了暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级，并首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。

另一项研究，利用近期发展的量子精密测量技术，实现了对一类超越标准模型的新相互作用的超灵敏检验，实验界限比先前的国际最好水平提升至少2个数量级。

11月18日，中国科大中科院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和德国亥姆霍兹研究所的Dmitry Budker教授组合作，开发出一种新型的超灵敏量子精密测量技术，利用该新技术进一步开展了暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级，并首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。相关研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”为题在线发表于国际知名学术期刊《Nature Physics》上。

大量的天文学观测表明，宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质，占到了约85%，而我们所熟悉的普通物质只占约15%。但是人们对于暗物质到底是什么，暗物质粒子质量及其性质等，却知之甚少。目前暗物质的热门候选粒子包括弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、轴子（axion），暗光子（dark photon）等。为了寻找这些神秘的暗物质粒子，各个国家纷纷布局了一系列国家级甚至世界级暗物质探测的实验探测计划，譬如DAMPE、PandaX、CDEX、ADMX和CAST等。然而，尽管科学家们做出了不懈的努力，目前还没有找到暗物质存在的直接证据。

图1:本工作提出的自旋放大器基本原理（左）；超灵敏磁场放大效应（右）

彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度和“桌面式”的新型核自旋量子测量技术，实现了迄今为止国际最佳灵敏度的核自旋磁传感器。该工作报道了一种全新的自旋放大效应：当外界待测磁场的频率接近氙原子的塞曼频率，待测磁场的强度可以被氙原子显著放大至少100倍[如图1左]。这种新的放大机制完全不同于以往的机制，具有多方面的突出优势：首先该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。相比传统热极化方法（氙核自旋极化度仅仅为～10^-6），本研究利用光极化的方法获得了接近0.3的自旋极化度，远超过传统方法。其次，传统方法采用对氙原子进行外部探测，而本研究通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞，就可以将氙原子的信号高灵敏读出，极大的简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制，研究人员设计出了第一台磁场量子放大器，并命名为“spin-based amplifier”（“自旋放大器”），该放大器具有超低磁场本底噪声，是极佳的磁场放大设备。进一步，研究人员将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍，达到fT灵敏度水平（1fT=10^-15T）[如图1右]。

量子精密测量技术可以实现超高灵敏度的磁场探测，这也为暗物质搜寻提供了变革性手段。大量的理论预测暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场（又称为“赝磁场”）。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的赝磁场，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。 彭新华研究组巧妙地利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度，完成了feV-peV低能区暗物质的实验直接搜寻。获得的暗物质与原子核耦合强度界限优于国际最佳界限（由CASPEr组2019年公布）至少5个数量级，并且首次突破宇宙天文学界限（SN1987A），如图2所示。相比传统大型暗物质科学装置，整个仪器设备只需桌面尺寸的空间布局。

图2:本研究的暗物质搜寻结果：暗光子与原子核的耦合界限（左），轴子与原子核的耦合界限（右）

三位审稿人均高度评价该工作“I think the result is of great interest for the larger physics community”（这个结果将引起物理学家的广泛兴趣）“ This is a significant advance for the field”（轴子搜寻领域的重要进展）“the result is original and will be of interest for physics community working in axion detection and astrophysical observations.”（该原创工作将激发轴子搜寻和天文观测领域的广泛兴趣）。这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。

彭新华研究组一直致力于核磁共振体系量子信息处理的实验研究，在量子计算，量子模拟，量子控制，量子精密测量等重要课题方面开展了系统性的研究，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果。研究组经历了从依赖于商品化仪器，到自主搭建量子精密测量平台，以此为世界科技前沿难题提供“独辟蹊径”的解决思路。特别是近期将量子精密测量技术用于搜寻新粒子，取得了多项国际领先水平的成果（如图3），提升我国在新粒子探测领域的国际地位。

图3：研究历程以及取得的重要研究进展

中国科学院微观磁共振重点实验室江敏副研究员和苏昊文博士研究生为该文共同第一作者，彭新华教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z

11月17日，中国科大中科院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和德国亥姆霍兹研究所Dmitry Budker教授合作，利用本团队近期发展的量子精密测量技术，实现了对一类超越标准模型的新相互作用的超灵敏检验，实验界限比先前的国际最好水平提升至少2个数量级。相关研究成果以“Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier”为题在线发表于国际知名学术期刊《Science Advances》上[Sci. Adv.7, eabi9535 (2021)]。

研究粒子及其相互作用是基础科学的核心，而标准模型则是目前公认最成功的理论。在其框架内，电磁相互作用由光子传递，弱相互作用由W及Z玻色子传递。然而，标准模型依旧无法解释当前宇宙天文学的一些重要观测事实，譬如暗物质和暗能量。因此物理学家普遍认为存在超越标准模型的新粒子，譬如弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、轴子（axion）、暗光子（dark photon）等。这些新粒子可以作为传播子，传递标准模型粒子之间的新相互作用。诺贝尔物理学奖得主Wilczek在1984年提出轴子可以作为传播子诱导出新的自旋相互作用，并在2004年进一步提出自旋体系可以用来搜寻这种新自旋相互作用。随后，在2006年物理学家Dobrescu 和 Mocioiu 考虑传播子为一般玻色子的情形，引入15种新奇自旋相互作用，这为新粒子及其新相互作用的实验搜寻提供了更广阔的研究思路。一旦这些新粒子及新相互作用被实验发现，必将是诺贝尔奖级别的工作。但因新自旋相互作用的效应十分微弱，目前实验搜寻极具挑战性，亟需探索新方法来提升实验灵敏度。

图1 检验新相互作用的实验装置和相应的磁探测灵敏度。

针对以上难题，彭新华研究组利用近期发展的量子自旋放大器技术[Nat. Phys. 2021]，实现了对待测磁信号2个数量级的放大（如图1所示），并进一步用于一类速度依赖的新相互作用的实验检验。物理学家Dobrescu等人预测，存在一种超越标准模型的自旋为1的Z’玻色子，在运动的质量源与核自旋之间传递新相互作用，其作用强度正比于质量源的相对速度及质量大小。因此，本研究采用一块高密度BGO晶体，并将其高速转动，从而诱导出BGO晶体和自旋放大器中氙核自旋的相互作用。更近一步研究发现，这种新相互作用等效于在原子核上产生一个交流震荡磁场，因此可以将新相互作用的测量转化为磁场测量。量子自旋放大器技术能够以超低噪声水平放大待测磁场，因此可以大大提高新相互作用的搜寻灵敏度。针对可能的技术噪声的干扰，研究人员巧妙地利用新相互作用速度依赖的特性，对震动和经典磁场等干扰信号进行的有效排除。本工作的实验结果表明，在搜寻范围未发现新粒子存在的证据，并由此给出一类新波色子与原子核耦合界限，其优于以前国际最佳界限至少2个数量级[如图2(a)和(b)所示]。

图2 新奇相互作用实验界限（a）提升至少4个数量级。（b）提升至少2个数量级。

审稿人对这一工作高度评价“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.（考虑到这个工作在新奇相互作用探索领域应用了一种新的实验技术和未来广泛的应用前景，我因此极力推荐发表工作）”。这一成果展示了量子精密测量技术与基础物理检验的有机结合，说明利用核自旋量子放大器来研究各种超越标准模型的新物理具有独特优势，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。

彭新华研究组长期瞄准量子精密测量领域，利用量子精密测量技术来解决世界前沿科学问题。包括于2018年自主研发出超灵敏原子磁力计，并且利用该技术实现了无需磁场的新型核磁共振技术，“零磁场核磁共振” [Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)]；于2019年至2020年发展新型原子磁力仪技术[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020)，Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，达到了国际领先水平的磁场探测灵敏度；通过进一步研究，于2021年实现了新型的自旋微波激射器，在低频段创造了国际最佳的磁探测灵敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，彭新华研究组将已发展的平台型量子精密测量技术用于寻找新粒子，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果。包括于2021年利用新型量子自旋放大器搜寻暗物质候选粒子，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限[Nat.Phys. (2021)，DOI：10.1038/s41567-021-01392-z]。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生苏昊文和王元泓为该文共同第一作者，彭新华教授和江敏副研究员为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9535

量子自旋放大技术论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01392-z

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