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我國學者成功研製用於搜尋新粒子的單自旋量子傳感器

  尋找粒子物理標準模型之外的新粒子,對物理新探索非常重要。記者從中國科學技術大學獲悉,該校杜江峰院士團隊近期成功研製出用於搜尋 “類軸子粒子”的單電子自旋量子傳感器,將搜尋的力程拓展到亞微米尺度。國際權威學術期刊《自然通訊》日前發表了該成果。

  新粒子的發現,可用於填補當前粒子物理學、天體物理和宇宙學等方面的理論缺陷,例如粒子質量等級問題、強CP疑難、正反物質不對稱性以及暗物質和暗能量的物理本質。

  近年來,國際學界發展了一系列精巧的實驗裝置,在20微米以上的力程範圍內開展了電子與核子相互作用的搜尋。但要在更短的力程範圍內開展實驗研究,則面臨一系列挑戰:如何構築一個尺寸足夠小的傳感器?如何設計傳感器的幾何形狀從而允許電子和核子充分接近?如何提升傳感器的靈敏度,從而給出有意義的限定?如何有效隔離好環境噪聲,尤其是不可避免的電磁噪聲?

  近期,杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室團隊與中科大天文學系、國家同步輻射實驗室科研人員合作,提出並實現了一種全新的探測方法,即將金剛石近表面NV色心的電子自旋,用作傳感器來搜尋小于20微米範圍的電子與核子相互作用。他們製備了離金剛石表面10納米以內的NV色心作為探測器,開發了相應的電子學設備和量子控制方法,解決了上述制約短力程探索的系列難題。實驗表明,新傳感器可以探索的力程範圍是0.1微米到23微米,為電子—核子相互作用的探索提供了新的觀測約束。

  據介紹,這一新方法也可以推廣到其它自旋相關的新相互作用的研究,從而為利用單自旋量子傳感器來研究超出標準模型的新物理提供了可能性,有望激發宇宙學、天體物理和高能物理等多個科學領域的廣泛興趣。《自然通訊》審稿人高度評價該工作,認為這種新穎的實驗方法,為直接探測較大質量的類軸子開闢了實驗窗口。

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