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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星等人對(duì)一類(lèi)速度相關(guān)的新奇自旋相互作用在微米尺度給出了當(dāng)下最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限定，該成果以“Experimental Constraints on an Exotic Parity-Odd Spin- and Velocity-Dependent Interaction with a Single Electron Spin Quantum Sensor”為題發(fā)表在6月29日的物理評(píng)論快報(bào)[Phys. Rev. Lett. 127, 010501(2021)]。

目前天文學(xué)和物理學(xué)中，暗物質(zhì)及其相關(guān)物理研究是一個(gè)尚待探索的、并且極其重要的研究領(lǐng)域，圍繞這一方向的研究能夠讓我們對(duì)占據(jù)宇宙比分約四分之一的物質(zhì)存在有更好的了解，并由此可能孕育出一系列重大的基礎(chǔ)科學(xué)突破。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是描述微觀粒子世界的一個(gè)非常成功的理論模型，但是標(biāo)準(zhǔn)模型中并不包括暗物質(zhì)，需要從理論和實(shí)驗(yàn)上尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子作為暗物質(zhì)的候選者。1984年，科學(xué)家提出一種標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新奇自旋相互作用，這種相互作用可以由標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新玻色子誘導(dǎo)，譬如軸子、類(lèi)軸子、暗光子，Z'玻色子等。這些新的玻色子有著不同的理論背景，如軸子是在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家為了解決強(qiáng)相互作用的CP問(wèn)題提出的。此后一系列精密的科學(xué)實(shí)驗(yàn)被用于探索這些新奇自旋相互作用。

2018年2月，杜江峰團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出利用金剛石中氮-空位缺陷作為單自旋傳感器來(lái)搜尋新奇自旋相互作用[Nature Communications 9, 739 (2018)]；同年8月，基于該單自旋傳感器搜尋極化自旋之間的新奇相互作用，給出了微米尺度最優(yōu)實(shí)驗(yàn)限定[Physical Review Letters 121, 080402 (2018)]。這些工作均以靜態(tài)的新奇自旋相互作用為研究對(duì)象，充分展示了金剛石氮-空位缺陷單自旋量子傳感器在微納尺度對(duì)新物理的探索能力。

近期該團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一類(lèi)速度相關(guān)的新奇自旋相互作用的實(shí)驗(yàn)探索。他們通過(guò)石英音叉帶動(dòng)質(zhì)量源在垂直金剛石表面的方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，并精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)序列將所要探索的新相互作用轉(zhuǎn)化成單自旋量子傳感器的量子相位信息。該實(shí)驗(yàn)對(duì)一類(lèi)速度相關(guān)的新自旋相互作用在微米尺度給出了新的實(shí)驗(yàn)限定，其中在200微米處的限定比以往基于銫、鐿、鉈原子光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格4個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖：紅線是此次實(shí)驗(yàn)對(duì)新奇自旋相互作用耦合常數(shù)gAegAe作出的實(shí)驗(yàn)限定。

審稿人對(duì)該工作做出了高度評(píng)價(jià)：“這篇文章展示了量子測(cè)量技術(shù)與基礎(chǔ)物理檢驗(yàn)的聯(lián)姻，對(duì)廣大物理學(xué)家極具吸引力?！保═his paper presents a very interesting marriage of quantum sensing techniques and test of fundamental interactions (traditionally in particle physics), which is highly appealing to general physicists.）

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生焦曼和郭茂森為該文共同第一作者，天文系蔡一夫教授為理論合作者，杜江峰院士和榮星特任教授為該文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、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。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.010501

（中國(guó)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(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）