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我系杜江峰院士、荣星教授等人在新奇自旋相互作用研究中取得重要进展

发稿(gao)时间(jian):2020-07-05浏览次数:123

      我系中国科学(xue)院(yuan)微观磁共振重点实验室(shi)杜江峰(feng)、荣(rong)星等人对一(yi)类速度相(xiang)关(guan)的(de)新奇自旋相(xiang)互作用在(zai)微米(mi)尺(chi)度给出了当下最(zui)严格的(de)实验限定,该成果以“Experimental Constraints on an Exotic Parity-Odd Spin- and Velocity-Dependent Interaction with a Single Electron Spin Quantum Sensor”为题发表在(zai)6月29日的(de)物理评论(lun)快(kuai)报[Phys. Rev. Lett. 127, 010501(2021)]。

   目前天(tian)文(wen)学(xue)和物(wu)理(li)(li)(li)学(xue)中(zhong)(zhong),暗物(wu)质(zhi)及其相(xiang)关物(wu)理(li)(li)(li)研(yan)究是一(yi)个(ge)尚待探索的(de)(de)(de)(de)(de)(de)、并且(qie)极(ji)其重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究领域,围绕这(zhei)一(yi)方向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究能够让我们对占据宇宙比分(fen)(fen)约四分(fen)(fen)之(zhi)一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)质(zhi)存在有(you)更(geng)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)了(le)解(jie)(jie),并由(you)此可能孕(yun)育出(chu)一(yi)系列重大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基础科学(xue)突(tu)破(po)。粒(li)子(zi)(zi)物(wu)理(li)(li)(li)标(biao)准(zhun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)是描(miao)述微观粒(li)子(zi)(zi)世界的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)个(ge)非常成(cheng)功的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)论(lun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing),但是标(biao)准(zhun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)中(zhong)(zhong)并不包括暗物(wu)质(zhi),需要从理(li)(li)(li)论(lun)和实验(yan)上寻找超(chao)出(chu)标(biao)准(zhun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)作(zuo)为暗物(wu)质(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)候选者。1984年,科学(xue)家(jia)(jia)提出(chu)一(yi)种标(biao)准(zhun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)以外(wai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)(xin)奇自(zi)旋相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong),这(zhei)种相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)可以由(you)标(biao)准(zhun)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)以外(wai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)(xin)玻色子(zi)(zi)诱导,譬(pi)如(ru)轴子(zi)(zi)、类轴子(zi)(zi)、暗光子(zi)(zi),Z'玻色子(zi)(zi)等(deng)。这(zhei)些新(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)玻色子(zi)(zi)有(you)着不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)论(lun)背景,如(ru)轴子(zi)(zi)是在20世纪70年代(dai),科学(xue)家(jia)(jia)为了(le)解(jie)(jie)决强相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)CP问题提出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。此后一(yi)系列精密(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)科学(xue)实验(yan)被用(yong)于(yu)探索这(zhei)些新(xin)(xin)奇自(zi)旋相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)。

   2018年2月,杜(du)江峰(feng)团队(dui)在(zai)国际上首次提(ti)出利用(yong)(yong)金(jin)刚(gang)石中氮-空位(wei)缺陷作为单自(zi)旋传(chuan)感器(qi)来搜寻新奇自(zi)旋相(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)[Nature Communications 9, 739 (2018)];同年8月,基(ji)于该单自(zi)旋传(chuan)感器(qi)搜寻极化自(zi)旋之间的新奇相(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong),给(ji)出了微米尺度最优(you)实(shi)验限(xian)定[Physical Review Letters 121, 080402 (2018)]。这些工作均以静态的新奇自(zi)旋相(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)为研究对象,充分展示了金(jin)刚(gang)石氮-空位(wei)缺陷单自(zi)旋量(liang)子传(chuan)感器(qi)在(zai)微纳尺度对新物理的探索(suo)能力。

   近期该团队开展了一类速度相关的新奇自旋相互作用的实验探索。他们通过石英音叉带动质量源在垂直金刚石表面的方向做简谐运动,并精心设计实验序列将所要探索的新相互作用转化成单自旋量子传感器的量子相位信息。该实验对一类速度相关的新自旋相互作用在微米尺度给出了新的实验限定,其中在200微米处的限定比以往基于铯、镱、铊原子光谱的实验结果严格4个数量级。

图:红线(xian)是此次实验(yan)对新奇自旋相互作用(yong)耦合常(chang)数(shu)gAegAe作出的实验(yan)限定(ding)。

   审(shen)稿人对(dui)该(gai)工作做出了高(gao)度评价:“这篇文章展示了量子测量技术与基础物理(li)检验(yan)的联姻,对(dui)广大物理(li)学家极具吸引力。”(This paper presents a very interesting marriage of quantum sensing techniques and test of fundamental interactions (traditionally in particle physics), which is highly appealing to general physicists.)

   中(zhong)国科(ke)(ke)学(xue)院微观磁共(gong)(gong)振重点实(shi)验室博士研究生焦曼和(he)郭(guo)茂(mao)森(sen)为该文共(gong)(gong)同第一(yi)作者,天文系(xi)蔡一(yi)夫教授为理论合(he)作者,杜江(jiang)峰院士和(he)荣星特任(ren)教授为该文的共(gong)(gong)同通讯作者。该研究得到了(le)科(ke)(ke)技(ji)部、国家自(zi)然科(ke)(ke)学(xue)基金委、中(zhong)国科(ke)(ke)学(xue)院和(he)安徽省的资助。

    论文链接:


(中国(guo)科学(xue)(xue)院(yuan)微观(guan)磁共振重点实验室、物(wu)理学(xue)(xue)院(yuan)、合肥微尺(chi)度物(wu)质科学(xue)(xue)国(guo)家研(yan)究中心(xin)、中国(guo)科学(xue)(xue)院(yuan)量子信息和量子科技创新研(yan)究院(yuan)、科研(yan)部)

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