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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰院士團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)組成的聯(lián)合研究組在暗能量探測領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對一種重要的暗能量理論——變色龍理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”，從而排除了其作為暗能量的可能。這是所有暗能量理論中的首個(gè)確定性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。相關(guān)研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”為題，于8月25日線上發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Physics》。

Science雜志發(fā)布的125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中，“宇宙由什么構(gòu)成”排在第一個(gè)。宇宙學(xué)和天文學(xué)的一些觀測事實(shí)表明，我們的宇宙正處于加速膨脹中，而暗能量被認(rèn)為是驅(qū)動膨脹的原因。但是，對于暗能量的本質(zhì)是什么，以何種方式與我們的世界發(fā)生作用，目前仍然未知。為探索神秘的暗能量場，國際上布局了多種實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃，傳統(tǒng)的手段主要是借助天文觀測或大型物理裝置，如太空望遠(yuǎn)鏡、地下實(shí)驗(yàn)室以及大型高能粒子加速器等。中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于近年來創(chuàng)新發(fā)展了基于固態(tài)自旋、氣態(tài)原子、微力學(xué)系統(tǒng)等能夠在實(shí)驗(yàn)室尺度（Lab scale）開展探索的實(shí)驗(yàn)體系和技術(shù)，為拓展人類對宇宙的認(rèn)識提供了新途徑，已完成一系列重要的實(shí)驗(yàn)研究[Nat. Commun. 9, 739 (2018); PRL 121, 080402 (2018); PRL 127, 010501 (2021); Nat. Phys. 17, 1402 (2021); Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); PRL 129, 051801 (2022)]。

此項(xiàng)研究針對一種重要的暗能量理論——變色龍理論開展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。變色龍理論是用來解釋宇宙加速膨脹的一種理論模型，該理論的最大特征之一是預(yù)言了已知四種基本相互作用外的“第五種力”，在形式上可以寫為萬有引力作用的微小偏離，這為實(shí)驗(yàn)研究提供了可能。本工作研究人員利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)作為力探測器，精巧構(gòu)建了亞毫米尺度的具有超高靈敏度的“桌面式”力探測平臺，對變色龍理論所預(yù)言的第五種力進(jìn)行了檢測。研究中，對變色龍場做了精細(xì)的數(shù)值模擬和基于此的第一性原理幾何設(shè)計(jì)，對質(zhì)量源與力探測器采用了薄膜結(jié)構(gòu)，有效解決了變色龍場在質(zhì)量源端和力探測器端的雙重屏蔽困難（圖1左）；并且，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了超長相干時(shí)間的第五種力驅(qū)動以提高力探測精度。以上技術(shù)極大提升了對第五種力的探測效率，實(shí)現(xiàn)了迄今為止對變色龍理論的國際最高檢測精度（圖1右），將理論預(yù)言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17牛。結(jié)合先前其他實(shí)驗(yàn)，該研究最終完成了基礎(chǔ)變色龍理論的全參數(shù)空間檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”，從而確定性地排除了這一暗能量理論（見圖2）。

圖1:抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（左）；實(shí)驗(yàn)探測給出的變色龍第五種力上限（右）

圖2:該研究的暗能量探測結(jié)果：基礎(chǔ)變色龍場與普通物質(zhì)的耦合界限（左），不同階數(shù)變色龍場與普通物質(zhì)耦合界限（中），基礎(chǔ)變色龍場與光子的耦合界限（右）。其中染色區(qū)域是被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并被排除的區(qū)域，當(dāng)前工作檢驗(yàn)的區(qū)域?yàn)榧t色，與之前報(bào)告的實(shí)驗(yàn)一起，完全排除了變色龍模型。

研究中使用的抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)是最近幾年發(fā)展起來的超高靈敏力學(xué)傳感器，中國科大中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國際上最早開展此項(xiàng)前沿技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)室之一。該室于十年前即布局了微弱力信號精密測量的實(shí)驗(yàn)研究方向，杜江峰院士帶領(lǐng)其研究生黃璞、印沛然（現(xiàn)分別為南京大學(xué)教授、博士后，本文共同通訊作者和共同第一作者）等從無到有搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，成功發(fā)展了一系列高精度力信號精密測量實(shí)驗(yàn)技術(shù)[PRL 110, 227202 (2013); PRL 117, 017701 (2016); Nat. Commun. 7, 11517 (2016)]，包括率先發(fā)展了基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的精密測量技術(shù)[Physical Review Applied 12, 044017 (2019)]。上述工作為本文的研究工作奠定了核心實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

審稿人高度評價(jià)該工作：“In my opinion this is a very important result……this represents a significant step forward in this field”（在我看來這是一個(gè)非常重要的成果……代表了該領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展）。這一工作充分展示了精密力探測與宇宙學(xué)研究的交叉融合，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(gè)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生李睿與南京大學(xué)博士后印沛然、碩士研究生殷承江為該文共同第一作者，杜江峰院士與南京大學(xué)黃璞教授、何建華副教授為該文共同通訊作者。該研究得到了中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省和合肥市的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9

（中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）