中国科大研制成功用于搜寻标准模型以外新粒子的单自旋量子传感器

中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室提出并实现了用于搜寻类轴子的单电子自旋量子传感器，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”为题，发表在2月21日的《自然•通讯》上[Nature Communications 9, 739 (2018)]。

寻找粒子物理标准模型之外的新粒子对于探索新物理至关重要。因为这些新粒子往往会被用于填补当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等多方面的理论缺陷，例如，粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物质不对称性、以及暗物质和暗能量的物理本质。在诸多解决方案中，一类简单有效的理论假设是引入一类超轻质量的轴子或类轴子粒子。人们猜测这类新粒子或许在电子与核子的相互作用当中扮演着新的传递媒介，因此这类相互作用为实验探索新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电子与核子相互作用的搜寻。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的传感器？如何设计传感器的几何形状从而允许电子和核子充分接近？如何提升传感器的灵敏度，从而给出有意义的限定？如何有效隔离好环境噪声，尤其是不可避免的电磁噪声？

本工作中，杜江峰团队提出并实现了一种崭新的探测方法，即将金刚石近表面NV色心的电子自旋用作传感器来搜寻小于20微米范围的电子与核子相互作用。团队制备了离金刚石表面10纳米以内的NV色心作为探测器，开发了相应的电子学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。实验表明新传感器可以探索的力程范围是0.1微米到23微米。研究人员在其有效力程范围尚未发现新粒子存在的证据，为电子-核子相互作用的探索提供了新的观测约束。这一新方法也可以推广到其它自旋相关的新相互作用的研究，从而为利用单自旋量子传感器来研究超出标准模型的新物理提供了可能性，有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个基础科学的广泛兴趣。审稿人高度评价该工作“是一个新颖的实验方法，我相信这个技术会同时激发探索新型力和磁测量两个领域的兴趣”，“所展示的方法…十分具有说服力，为直接探测较大质量类轴子开辟了一个实验窗口”。

本工作也是中国科大多个学科领域交叉合作的成果，共同第一作者是中科院微观磁共振重点实验室的荣星、耿建培和王孟琪，合作者有中国科大物理学院天文学系蔡一夫教授和国家同步辐射实验室邹崇文副研究员。

该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。 

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03152-9