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11月18日，中國科大中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組和德國亥姆霍茲研究所的Dmitry Budker教授組合作，開發(fā)出一種新型的超靈敏量子精密測量技術(shù)，利用該新技術(shù)進(jìn)一步開展了暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)直接搜尋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比先前的國際最好水平提升至少5個數(shù)量級，并首次突破國際公認(rèn)最強(qiáng)的宇宙天文學(xué)界限。相關(guān)研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”為題在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Physics》上。

大量的天文學(xué)觀測表明，宇宙物質(zhì)組成中的絕大部分為暗物質(zhì)，占到了約85%，而我們所熟悉的普通物質(zhì)只占約15%。但是人們對于暗物質(zhì)到底是什么，暗物質(zhì)粒子質(zhì)量及其性質(zhì)等，卻知之甚少。目前暗物質(zhì)的熱門候選粒子包括弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、軸子（axion），暗光子（dark photon）等。為了尋找這些神秘的暗物質(zhì)粒子，各個國家紛紛布局了一系列國家級甚至世界級暗物質(zhì)探測的實(shí)驗(yàn)探測計(jì)劃，譬如DAMPE、PandaX、CDEX、ADMX和CAST等。然而，盡管科學(xué)家們做出了不懈的努力，目前還沒有找到暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

圖1:本工作提出的自旋放大器基本原理（左）；超靈敏磁場放大效應(yīng)（右）

彭新華研究組利用氣態(tài)氙和銣原子混合蒸氣室，發(fā)明了具有超高靈敏度和“桌面式”的新型核自旋量子測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了迄今為止國際最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。該工作報道了一種全新的自旋放大效應(yīng)：當(dāng)外界待測磁場的頻率接近氙原子的塞曼頻率，待測磁場的強(qiáng)度可以被氙原子顯著放大至少100倍[如圖1左]。這種新的放大機(jī)制完全不同于以往的機(jī)制，具有多方面的突出優(yōu)勢：首先該技術(shù)利用激光先極化銣原子蒸氣，再利用銣與氣態(tài)氙原子的自旋交換碰撞，從而將氙原子的核自旋極化。相比傳統(tǒng)熱極化方法（氙核自旋極化度僅僅為～10-6），本研究利用光極化的方法獲得了接近0.3的自旋極化度，遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法。其次，傳統(tǒng)方法采用對氙原子進(jìn)行外部探測，而本研究通過銣原子與氙原子的隨機(jī)自旋交換碰撞，就可以將氙原子的信號高靈敏讀出，極大的簡化了裝置體積和復(fù)雜度?；谠撐锢頇C(jī)制，研究人員設(shè)計(jì)出了第一臺磁場量子放大器，并命名為“spin-based amplifier”（“自旋放大器”），該放大器具有超低磁場本底噪聲，是極佳的磁場放大設(shè)備。進(jìn)一步，研究人員將這臺自旋放大器與團(tuán)隊(duì)已發(fā)展的原子磁力計(jì)相結(jié)合，將原子磁力計(jì)的磁探測靈敏度提高了100倍，達(dá)到fT靈敏度水平（1fT=10-15T）[如圖1右]。

量子精密測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的磁場探測，這也為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性手段。大量的理論預(yù)測暗物質(zhì)與原子核會發(fā)生極微弱的相互作用，這種相互作用相當(dāng)于在原子核自旋上施加一個微小磁場（又稱為“贗磁場”）。利用超靈敏磁場探測裝置可以檢驗(yàn)這一微小的贗磁場，以此來尋找暗物質(zhì)粒子存在的跡象。 彭新華研究組巧妙地利用自旋放大器來放大暗物質(zhì)產(chǎn)生的“贗磁場”，大大提高了暗物質(zhì)的搜尋靈敏度，完成了feV-peV低能區(qū)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)直接搜尋。獲得的暗物質(zhì)與原子核耦合強(qiáng)度界限優(yōu)于國際最佳界限（由CASPEr組2019年公布）至少5個數(shù)量級，并且首次突破宇宙天文學(xué)界限（SN1987A），如圖2所示。相比傳統(tǒng)大型暗物質(zhì)科學(xué)裝置，整個儀器設(shè)備只需桌面尺寸的空間布局。

圖2:本研究的暗物質(zhì)搜尋結(jié)果：暗光子與原子核的耦合界限（左），軸子與原子核的耦合界限（右）

三位審稿人均高度評價該工作“I think the result is of great interest for the larger physics community”（這個結(jié)果將引起物理學(xué)家的廣泛興趣）“ This is a significant advance for the field”（軸子搜尋領(lǐng)域的重要進(jìn)展）“the result is original and will be of interest for physics community working in axion detection and astrophysical observations.”（該原創(chuàng)工作將激發(fā)軸子搜尋和天文觀測領(lǐng)域的廣泛興趣）。這一成果充分展示了量子精密測量技術(shù)與暗物質(zhì)探測的交叉融合，有望激發(fā)宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。

彭新華研究組一直致力于核磁共振體系量子信息處理的實(shí)驗(yàn)研究，在量子計(jì)算，量子模擬，量子控制，量子精密測量等重要課題方面開展了系統(tǒng)性的研究，取得了一系列對推動學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的研究成果。研究組經(jīng)歷了從依賴于商品化儀器，到自主搭建量子精密測量平臺，以此為世界科技前沿難題提供“獨(dú)辟蹊徑”的解決思路。特別是近期將量子精密測量技術(shù)用于搜尋新粒子，取得了多項(xiàng)國際領(lǐng)先水平的成果（如圖3），提升我國在新粒子探測領(lǐng)域的國際地位。

圖3：研究歷程以及取得的重要研究進(jìn)展

中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江敏副研究員和蘇昊文博士研究生為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z

（中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）