爱游戏app

En

科研進展

2021年11月22日
中科大在利用量子精密測量技術檢驗新相互作用的領域取得重要進展

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(li)(li)子(zi)(zi)及其相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)是基礎科(ke)學的(de)(de)(de)(de)核心(xin),而標準模(mo)型(xing)則是目前(qian)公認最成功的(de)(de)(de)(de)理論。在其框架內(nei),電磁相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)由(you)光(guang)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)遞,弱(ruo)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)由(you)W及Z玻色(se)(se)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)遞。然而,標準模(mo)型(xing)依(yi)舊無法解釋當前(qian)宇宙天文學的(de)(de)(de)(de)一(yi)些重要(yao)觀測事實,譬(pi)如(ru)暗物(wu)質和(he)暗能(neng)量。因(yin)此物(wu)理學家普遍認為(wei)存在超越標準模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)新(xin)(xin)粒(li)(li)子(zi)(zi),譬(pi)如(ru)弱(ruo)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)大質量粒(li)(li)子(zi)(zi)(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP)、軸(zhou)子(zi)(zi)(axion)、暗光(guang)子(zi)(zi)(dark photon)等(deng)。這些新(xin)(xin)粒(li)(li)子(zi)(zi)可以作(zuo)(zuo)為(wei)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi),傳(chuan)(chuan)遞標準模(mo)型(xing)粒(li)(li)子(zi)(zi)之間的(de)(de)(de)(de)新(xin)(xin)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。諾貝爾物(wu)理學獎(jiang)得主Wilczek在1984年(nian)提(ti)出軸(zhou)子(zi)(zi)可以作(zuo)(zuo)為(wei)傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)誘導出新(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong),并(bing)在2004年(nian)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)出自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)體系可以用(yong)(yong)來(lai)搜(sou)尋(xun)(xun)這種(zhong)新(xin)(xin)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。隨后(hou),在2006年(nian)物(wu)理學家Dobrescu 和(he) Mocioiu 考慮傳(chuan)(chuan)播子(zi)(zi)為(wei)一(yi)般(ban)玻色(se)(se)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)情形(xing),引入15種(zhong)新(xin)(xin)奇自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong),這為(wei)新(xin)(xin)粒(li)(li)子(zi)(zi)及其新(xin)(xin)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)(yan)搜(sou)尋(xun)(xun)提(ti)供了更廣闊(kuo)的(de)(de)(de)(de)研究思路。一(yi)旦這些新(xin)(xin)粒(li)(li)子(zi)(zi)及新(xin)(xin)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)被實驗(yan)(yan)發(fa)現,必將(jiang)是諾貝爾獎(jiang)級別的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)。但因(yin)新(xin)(xin)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)應十(shi)分微弱(ruo),目前(qian)實驗(yan)(yan)搜(sou)尋(xun)(xun)極具挑戰性,亟需(xu)探(tan)索新(xin)(xin)方法來(lai)提(ti)升實驗(yan)(yan)靈(ling)敏度。

圖1 檢(jian)驗(yan)新相互作(zuo)用的實驗(yan)裝置和相應的磁探測靈敏度(du)。

針(zhen)對以(yi)(yi)上(shang)難題(ti),彭新(xin)(xin)華(hua)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)組利(li)用(yong)近(jin)期發(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)自旋放(fang)大器(qi)(qi)技(ji)術(shu)[Nat. Phys. 2021],實(shi)現了(le)對待(dai)測(ce)(ce)磁(ci)信號2個(ge)數量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)級的(de)(de)(de)(de)(de)放(fang)大(如圖1所示),并進一步用(yong)于一類(lei)速(su)度(du)依賴的(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)檢驗(yan)(yan)。物理學家Dobrescu等(deng)人預測(ce)(ce),存在(zai)一種(zhong)超(chao)越標準模型的(de)(de)(de)(de)(de)自旋為1的(de)(de)(de)(de)(de)Z’玻(bo)色子(zi),在(zai)運動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)源(yuan)與核自旋之間(jian)傳遞新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong),其作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)強度(du)正比(bi)于質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)對速(su)度(du)及質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)大小(xiao)。因此,本(ben)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)采用(yong)一塊高(gao)密度(du)BGO晶體,并將(jiang)其高(gao)速(su)轉(zhuan)動(dong),從而誘導出BGO晶體和(he)自旋放(fang)大器(qi)(qi)中氙核自旋的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)。更(geng)近(jin)一步研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)發(fa)(fa)現,這(zhe)種(zhong)新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)等(deng)效于在(zai)原(yuan)子(zi)核上(shang)產生一個(ge)交流震(zhen)蕩磁(ci)場(chang),因此可(ke)以(yi)(yi)將(jiang)新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)轉(zhuan)化為磁(ci)場(chang)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)。量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)自旋放(fang)大器(qi)(qi)技(ji)術(shu)能夠以(yi)(yi)超(chao)低噪聲水平放(fang)大待(dai)測(ce)(ce)磁(ci)場(chang),因此可(ke)以(yi)(yi)大大提高(gao)新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)搜尋靈敏度(du)。針(zhen)對可(ke)能的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)噪聲的(de)(de)(de)(de)(de)干擾(rao),研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)人員巧妙地利(li)用(yong)新(xin)(xin)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)速(su)度(du)依賴的(de)(de)(de)(de)(de)特性,對震(zhen)動(dong)和(he)經典磁(ci)場(chang)等(deng)干擾(rao)信號進行的(de)(de)(de)(de)(de)有效排(pai)除(chu)。本(ben)工作(zuo)(zuo)(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)結果表明(ming),在(zai)搜尋范圍未發(fa)(fa)現新(xin)(xin)粒子(zi)存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)證據,并由此給出一類(lei)新(xin)(xin)波色子(zi)與原(yuan)子(zi)核耦合界限,其優于以(yi)(yi)前國際最佳(jia)界限至少2個(ge)數量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)級[如圖2(a)和(he)(b)所示]。

圖2 新奇相互作(zuo)用實驗(yan)界限(a)提(ti)(ti)升(sheng)至少(shao)4個(ge)數量級。(b)提(ti)(ti)升(sheng)至少(shao)2個(ge)數量級。

審(shen)稿人對這(zhe)一(yi)工(gong)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(lv)到這(zhe)個(ge)工(gong)作在(zai)新(xin)奇(qi)相互作用(yong)探索領域應用(yong)了一(yi)種新(xin)的(de)實驗(yan)技(ji)術和未來(lai)廣(guang)泛的(de)應用(yong)前景,我因此極力推(tui)薦發表工(gong)作)”。這(zhe)一(yi)成果(guo)展示了量子(zi)精密(mi)測(ce)量技(ji)術與基(ji)礎物(wu)理檢驗(yan)的(de)有(you)機結合,說明利用(yong)核自旋量子(zi)放大器來(lai)研究各種超越標準模(mo)型的(de)新(xin)物(wu)理具有(you)獨特(te)優勢,有(you)望激發宇(yu)宙天文(wen)學(xue)(xue)、粒子(zi)物(wu)理學(xue)(xue)和原子(zi)分(fen)子(zi)物(wu)理學(xue)(xue)等多個(ge)基(ji)礎科學(xue)(xue)的(de)廣(guang)泛興趣。

彭新(xin)華研(yan)究組長期瞄準量子(zi)(zi)(zi)精(jing)密(mi)(mi)測量領域(yu),利用(yong)量子(zi)(zi)(zi)精(jing)密(mi)(mi)測量技(ji)(ji)術來(lai)解決(jue)世界前沿科(ke)學問(wen)題。包括于(yu)2018年(nian)自(zi)主研(yan)發(fa)出超靈敏(min)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)力(li)計,并(bing)且利用(yong)該技(ji)(ji)術實現(xian)了(le)(le)無需磁(ci)(ci)場的(de)(de)新(xin)型(xing)核磁(ci)(ci)共振(zhen)(zhen)技(ji)(ji)術,“零磁(ci)(ci)場核磁(ci)(ci)共振(zhen)(zhen)” [Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)];于(yu)2019年(nian)至2020年(nian)發(fa)展(zhan)新(xin)型(xing)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)力(li)儀技(ji)(ji)術[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020),Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)],達到了(le)(le)國(guo)際領先水平(ping)的(de)(de)磁(ci)(ci)場探測靈敏(min)度;通過(guo)進一步研(yan)究,于(yu)2021年(nian)實現(xian)了(le)(le)新(xin)型(xing)的(de)(de)自(zi)旋微波激射器,在低頻段創造了(le)(le)國(guo)際最佳(jia)的(de)(de)磁(ci)(ci)探測靈敏(min)度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后,彭新(xin)華研(yan)究組將已發(fa)展(zhan)的(de)(de)平(ping)臺型(xing)量子(zi)(zi)(zi)精(jing)密(mi)(mi)測量技(ji)(ji)術用(yong)于(yu)尋找(zhao)新(xin)粒子(zi)(zi)(zi),取得了(le)(le)一系列對推動(dong)學科(ke)領域(yu)發(fa)展(zhan)有實質(zhi)性貢獻的(de)(de)研(yan)究成果。包括于(yu)2021年(nian)利用(yong)新(xin)型(xing)量子(zi)(zi)(zi)自(zi)旋放大器搜尋暗物質(zhi)候(hou)選粒子(zi)(zi)(zi),首次突破國(guo)際公(gong)認最強的(de)(de)宇宙天文學界限[Nat.Phys. (2021),DOI:10.1038/s41567-021-01392-z]。

中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院微觀磁共振(zhen)重(zhong)點實驗室博士研究(jiu)生蘇昊文和(he)(he)王(wang)元泓為該(gai)文共同第一(yi)作(zuo)者(zhe)(zhe),彭新華教授(shou)和(he)(he)江敏(min)副研究(jiu)員為共同通訊作(zuo)者(zhe)(zhe)。該(gai)研究(jiu)得(de)到了科(ke)技部(bu)、國(guo)家自然(ran)科(ke)學(xue)基金委和(he)(he)安徽省的資助。

論文鏈接(jie):

量子自(zi)旋放(fang)大技術論文(wen)鏈(lian)接(jie):


(中國科(ke)學(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)微(wei)觀磁共振重點實驗室、物(wu)理學(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)、合肥微(wei)尺度物(wu)質(zhi)科(ke)學(xue)國家(jia)研究中心、中國科(ke)學(xue)院(yuan)(yuan)(yuan)量(liang)子信息和量(liang)子科(ke)技創新(xin)研究院(yuan)(yuan)(yuan)、科(ke)研部)

相關新聞
聚酰亞胺薄膜因其優異的力學性能、絕佳的熱穩定性和突出的耐化學性,而成為太空探測器“防護服”的絕佳...