中國(guó)科(kē)學(xué)技术大學(xué)已实现单電(diàn)子自旋量子传感器

中國(guó)科(kē)學(xué)技术大學(xué)杜江峰院士领导的中科(kē)院微观磁共振重点实验室提出并实现了用(yòng)于搜寻类轴子的单電(diàn)子自旋量子传感器，将搜寻的力程拓展到亚微米尺度。该成果以“Searching for an exotic spin-dependent interaction with a single electron-spin quantum sensor”為(wèi)题，发表在2月21日的《自然•通讯》上[Nature Communications 9, 739 (2018)]。 

寻找粒子物(wù)理(lǐ)标准模型之外的新(xīn)粒子对于探索新(xīn)物(wù)理(lǐ)至关重要。因為(wèi)这些新(xīn)粒子往往会被用(yòng)于填补当前粒子物(wù)理(lǐ)學(xué)、天體(tǐ)物(wù)理(lǐ)和宇宙學(xué)等多(duō)方面的理(lǐ)论缺陷，例如，粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物(wù)质不对称性、以及暗物(wù)质和暗能(néng)量的物(wù)理(lǐ)本质。在诸多(duō)解决方案中，一类简单有(yǒu)效的理(lǐ)论假设是引入一类超轻质量的轴子或类轴子粒子。人们猜测这类新(xīn)粒子或许在電(diàn)子与核子的相互作用(yòng)当中扮演着新(xīn)的传递媒介，因此这类相互作用(yòng)為(wèi)实验探索新(xīn)粒子提供了宝贵的机会。近年来，人们发展了一系列精巧的实验装置，在20微米以上的力程范围内开展了電(diàn)子与核子相互作用(yòng)的搜寻。然而，在更短的力程范围内开展实验研究面临一系列挑战：如何构筑一个尺寸足够小(xiǎo)的传感器？如何设计传感器的几何形状从而允许電(diàn)子和核子充分(fēn)接近？如何提升传感器的灵敏度，从而给出有(yǒu)意义的限定？如何有(yǒu)效隔离好环境噪声，尤其是不可(kě)避免的電(diàn)磁噪声？ 

本工作中，杜江峰团队提出并实现了一种崭新(xīn)的探测方法，即将金刚石近表面NV色心的電(diàn)子自旋用(yòng)作传感器来搜寻小(xiǎo)于20微米范围的電(diàn)子与核子相互作用(yòng)。团队制备了离金刚石表面10纳米以内的NV色心作為(wèi)探测器，开发了相应的電(diàn)子學(xué)设备和量子控制方法，一举解决了上述制约短力程探索的系列难题。实验表明新(xīn)传感器可(kě)以探索的力程范围是0.1微米到23微米。研究人员在其有(yǒu)效力程范围尚未发现新(xīn)粒子存在的证据，為(wèi)電(diàn)子-核子相互作用(yòng)的探索提供了新(xīn)的观测约束。这一新(xīn)方法也可(kě)以推广到其它自旋相关的新(xīn)相互作用(yòng)的研究，从而為(wèi)利用(yòng)单自旋量子传感器来研究超出标准模型的新(xīn)物(wù)理(lǐ)提供了可(kě)能(néng)性，有(yǒu)望激发宇宙學(xué)、天體(tǐ)物(wù)理(lǐ)和高能(néng)物(wù)理(lǐ)等多(duō)个基础科(kē)學(xué)的广泛兴趣。审稿人高度评价该工作“是一个新(xīn)颖的实验方法，我相信这个技术会同时激发探索新(xīn)型力和磁测量两个领域的兴趣”，“所展示的方法…十分(fēn)具有(yǒu)说服力，為(wèi)直接探测较大质量类轴子开辟了一个实验窗口”。 

本工作也是中國(guó)科(kē)大多(duō)个學(xué)科(kē)领域交叉合作的成果，共同第一作者是中科(kē)院微观磁共振重点实验室的荣星、耿建培和王孟琪，合作者有(yǒu)中國(guó)科(kē)大物(wù)理(lǐ)學(xué)院天文(wén)學(xué)系蔡一夫教授和國(guó)家同步辐射实验室邹崇文(wén)副研究员。 

该项研究得到了科(kē)技部、國(guó)家自然科(kē)學(xué)基金委、中國(guó)科(kē)學(xué)院和安徽省的资助。