中(zhōng)國科學技術大(dà)學已實現單電(diàn)子自旋量子傳感器

中(zhōng)國科學技術大(dà)學杜江峰院士領導的中(zhōng)科院微觀磁共振重點實驗室提出并實現了用于搜尋類軸子的單電(diàn)子自旋量子傳感器，将搜尋的力程拓展到亞微米尺度。該成果以“Searching for an exotic spin-dependent interaction with a single electron-spin quantum sensor”爲題，發表在2月21日的《自然•通訊》上[Nature Communications 9, 739 (2018)]。 

尋找粒子物(wù)理标準模型之外(wài)的新粒子對于探索新物(wù)理至關重要。因爲這些新粒子往往會被用于填補當前粒子物(wù)理學、天體(tǐ)物(wù)理和宇宙學等多方面的理論缺陷，例如，粒子質量等級問題、強CP疑難、正反物(wù)質不對稱性、以及暗物(wù)質和暗能量的物(wù)理本質。在諸多解決方案中(zhōng)，一(yī)類簡單有效的理論假設是引入一(yī)類超輕質量的軸子或類軸子粒子。人們猜測這類新粒子或許在電(diàn)子與核子的相互作用當中(zhōng)扮演着新的傳遞媒介，因此這類相互作用爲實驗探索新粒子提供了寶貴的機會。近年來，人們發展了一(yī)系列精巧的實驗裝置，在20微米以上的力程範圍内開(kāi)展了電(diàn)子與核子相互作用的搜尋。然而，在更短的力程範圍内開(kāi)展實驗研究面臨一(yī)系列挑戰：如何構築一(yī)個尺寸足夠小(xiǎo)的傳感器？如何設計傳感器的幾何形狀從而允許電(diàn)子和核子充分(fēn)接近？如何提升傳感器的靈敏度，從而給出有意義的限定？如何有效隔離(lí)好環境噪聲，尤其是不可避免的電(diàn)磁噪聲？ 

本工(gōng)作中(zhōng)，杜江峰團隊提出并實現了一(yī)種嶄新的探測方法，即将金剛石近表面NV色心的電(diàn)子自旋用作傳感器來搜尋小(xiǎo)于20微米範圍的電(diàn)子與核子相互作用。團隊制備了離(lí)金剛石表面10納米以内的NV色心作爲探測器，開(kāi)發了相應的電(diàn)子學設備和量子控制方法，一(yī)舉解決了上述制約短力程探索的系列難題。實驗表明新傳感器可以探索的力程範圍是0.1微米到23微米。研究人員(yuán)在其有效力程範圍尚未發現新粒子存在的證據，爲電(diàn)子-核子相互作用的探索提供了新的觀測約束。這一(yī)新方法也可以推廣到其它自旋相關的新相互作用的研究，從而爲利用單自旋量子傳感器來研究超出标準模型的新物(wù)理提供了可能性，有望激發宇宙學、天體(tǐ)物(wù)理和高能物(wù)理等多個基礎科學的廣泛興趣。審稿人高度評價該工(gōng)作“是一(yī)個新穎的實驗方法，我(wǒ)(wǒ)相信這個技術會同時激發探索新型力和磁測量兩個領域的興趣”，“所展示的方法…十分(fēn)具有說服力，爲直接探測較大(dà)質量類軸子開(kāi)辟了一(yī)個實驗窗口”。 

本工(gōng)作也是中(zhōng)國科大(dà)多個學科領域交叉合作的成果，共同第一(yī)作者是中(zhōng)科院微觀磁共振重點實驗室的榮星、耿建培和王孟琪，合作者有中(zhōng)國科大(dà)物(wù)理學院天文學系蔡一(yī)夫教授和國家同步輻射實驗室鄒崇文副研究員(yuán)。 

該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中(zhōng)國科學院和安徽省的資(zī)助。