近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并實(shí)現(xiàn)了用于搜尋類軸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。該成果以“Searchingforanexoticspin-dependentinteractionwithasingleelectron-spinquantumsensor”為題發(fā)表在2月21日的《自然·通訊》上[NatureCommunications9,739(2018)]。

尋找粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子對(duì)于探索新物理至關(guān)重要。因?yàn)檫@些新粒子往往會(huì)被用于填補(bǔ)當(dāng)前粒子物理學(xué)、天體物理和宇宙學(xué)等多方面的理論缺陷，例如，粒子質(zhì)量等級(jí)問(wèn)題、強(qiáng)CP疑難、正反物質(zhì)不對(duì)稱性、以及暗物質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)。在諸多解決方案中，一類簡(jiǎn)單有效的理論假設(shè)是引入一類超輕質(zhì)量的軸子或類軸子粒子。人們猜測(cè)這類新粒子或許在電子與核子的相互作用當(dāng)中扮演著新的傳遞媒介，因此這類相互作用為實(shí)驗(yàn)探索新粒子提供了寶貴的機(jī)會(huì)。近年來(lái)，人們發(fā)展了一系列精巧的實(shí)驗(yàn)裝置，在20微米以上的力程范圍內(nèi)開(kāi)展了電子與核子相互作用的搜尋。然而，在更短的力程范圍內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究面臨一系列挑戰(zhàn)：如何構(gòu)筑一個(gè)尺寸足夠小的傳感器？如何設(shè)計(jì)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(huán)境噪聲，尤其是不可避免的電磁噪聲？

本工作中，杜江峰團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種嶄新的探測(cè)方法，即將金剛石近表面NV色心的電子自旋用作傳感器來(lái)搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。團(tuán)隊(duì)制備了離金剛石表面10納米以內(nèi)的NV色心作為探測(cè)器，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的電子學(xué)設(shè)備和量子控制方法，一舉解決了上述制約短力程探索的系列難題。實(shí)驗(yàn)表明新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米。研究人員在其有效力程范圍尚未發(fā)現(xiàn)新粒子存在的證據(jù)，為電子-核子相互作用的探索提供了新的觀測(cè)約束。這一新方法也可以推廣到其它自旋相關(guān)的新相互作用的研究，從而為利用單自旋量子傳感器來(lái)研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供了可能性，有望激發(fā)宇宙學(xué)、天體物理和高能物理等多個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。審稿人高度評(píng)價(jià)該工作“是一個(gè)新穎的實(shí)驗(yàn)方法，我相信這個(gè)技術(shù)會(huì)同時(shí)激發(fā)探索新型力和磁測(cè)量?jī)蓚€(gè)領(lǐng)域的興趣”，“所展示的方法…十分具有說(shuō)服力，為直接探測(cè)較大質(zhì)量類軸子開(kāi)辟了一個(gè)實(shí)驗(yàn)窗口”。

本工作也是科大多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域交叉合作的成果，共同一作是中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的榮星、耿建培和王孟琪，合作者有中科大物理學(xué)院天文學(xué)系蔡一夫教授和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室鄒崇文副研究員。

該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。