中國科大利用固態(tài)自旋量子傳感器對新奇自旋相互作用開展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星課題組與浙江大學(xué)焦曼研究員合作，利用固態(tài)自旋量子傳感器對兩種速度相關(guān)的新奇自旋相互作用在小尺度給出了當(dāng)下最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限定，該成果以“New Constraints on Exotic Spin-Spin-Velocity-Dependent Interactions with Solid-State Quantum Sensors”為題發(fā)表在4月30日的物理評論快報(bào)[Phys. Rev. Lett. 132, 180801 (2024)]。

標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理中非常成功的理論框架，描述了基本粒子和四種基本相互作用。但是標(biāo)準(zhǔn)模型仍無法解釋當(dāng)前宇宙天文學(xué)的一些重要觀測事實(shí)，例如暗物質(zhì)和暗能量。因此理論學(xué)家提出，存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，如軸子、類軸子和Z’玻色子等。這些粒子可能是我們理解宇宙更深層次的關(guān)鍵。理論指出新粒子可以作為傳播子，傳遞標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的新相互作用，譬如可以誘導(dǎo)出自旋與自旋之間速度相關(guān)的新相互作用。目前國際上對自旋與自旋之間速度相關(guān)的新相互作用的實(shí)驗(yàn)研究比較欠缺，特別是在力程相對較小的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)幾乎沒有。這是因?yàn)樾×Τ虒?shí)驗(yàn)搜尋的挑戰(zhàn)在于需要在微米尺度同時(shí)實(shí)現(xiàn)相干調(diào)控自旋量子態(tài)、高精度磁探測以及空間位置精密調(diào)制。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了裝配有兩塊金剛石的實(shí)驗(yàn)裝置。每塊金剛石表面都通過化學(xué)氣相沉積法制備了高品質(zhì)的氮-空位(NV)系綜（如圖a）。其中一塊NV系綜中的電子自旋作為自旋傳感器，而另一塊則作為自旋源。團(tuán)隊(duì)通過相干操控兩塊金剛石NV系綜的自旋量子態(tài)及其相對速度，從而在微米尺度搜尋了電子自旋之間速度相關(guān)的新相互作用效應(yīng)。首先利用自旋傳感器表征其與自旋源之間的磁偶極相互作用作為標(biāo)尺，然后通過調(diào)制自旋源振動，并進(jìn)行鎖相探測和相位正交分析來測量速度相關(guān)的自旋-自旋新相互作用。對于兩種新相互作用，該團(tuán)隊(duì)分別在小于1厘米和小于1千米的力程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了國際上首次實(shí)驗(yàn)探測（如圖b，c），獲取了寶貴的實(shí)驗(yàn)搜尋數(shù)據(jù)。

審稿人對該工作做出了高度評價(jià)：“The results bring new insights to the quantum sensing community to explore fundamental interactions exploiting the compact, flexible, and sensitive features of solid-state spins.”（該實(shí)驗(yàn)利用緊湊、靈活和靈敏的固態(tài)自旋體系探索基本相互作用，為量子傳感領(lǐng)域帶來了新的見解。）

圖：實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)兩塊制備有高品質(zhì)NV系綜的金剛石被用于開展自旋-自旋速度相關(guān)相互作用搜尋。(b,c)對兩種自旋-自旋速度相關(guān)的相互作用的實(shí)驗(yàn)觀測約束。