单自旋量子传感器可搜寻标准模型以外新粒子

从中国科学技术大学获悉，该校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。研究成果2月21日发表在《自然通讯》上。

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、正反物质不对称性、以及暗物质和暗能量的物理本质。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？

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”，“为直接探测较大质量类轴子开辟了一个实验窗口”。

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