中国科大在《物理进展报告》上发表新自旋相互作用的量子精密测量综述论文

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华、江敏及其共事,与丹麦波尔研究所陈一帆等,应邀正在国际物理学出名综述期刊《物理进展讲演》(Reports on Progress in Physics)上颁发题为“基于自旋传感器的新自旋彼此作用研究”(Searches for exotic spin-dependent interactions with spin sensors)的长篇综述论文[Rep. Prog. Phys. 88 016401 (2025)]。该论文体系论述了没有同自旋系统的前沿量子紧密丈量技能,并具体论述了此类量子技能正在征采超出尺度模子的自旋彼此作用方面的研究进展以及将来成长标的目的。粒子物理学的尺度模子可以或许胜利诠释原子与亚原籽粒子的举动,取患了显著成绩。然而,它依然无奈解决一些谜团,例如暗物资的本色以及强电荷-宇称(CP)问题。经由过程引入一种称为QCD(量子色能源学)轴子的赝标量新粒子,为这些难题供给了一种可能的解决方案。除了了QCD轴子外,包括分外维度的基本实践(如弦实践)还预测了各类超轻玻色子的存正在。这些包含赝标量(如轴子以及类轴子)以及自旋为1的粒子(如暗光子)。

  中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华、江敏及其共事,与丹麦波尔研究所陈一帆等,应邀正在国际物理学出名综述期刊《物理进展讲演》(Reports on Progress in Physics)上颁发题为“基于自旋传感器的新自旋彼此作用研究”(Searches for exotic spin-dependent interactions with spin sensors)的长篇综述论文[Rep. Prog. Phys. 88 016401 (2025)]。该论文体系论述了没有同自旋系统的前沿量子紧密丈量技能,并具体论述了此类量子技能正在征采超出尺度模子的自旋彼此作用方面的研究进展以及将来成长标的目的。

  粒子物理学的尺度模子可以或许胜利诠释原子与亚原籽粒子的举动,取患了显著成绩。然而,它依然无奈解决一些谜团,例如暗物资的本色以及强电荷-宇称(CP)问题。经由过程引入一种称为QCD(量子色能源学)轴子的赝标量新粒子,为这些难题供给了一种可能的解决方案。除了了QCD轴子外,包括分外维度的基本实践(如弦实践)还预测了各类超轻玻色子的存正在。这些包含赝标量(如轴子以及类轴子)以及自旋为1的粒子(如暗光子)。因为QCD轴子或类轴子具备赝标量特征,它们与尺度模子费米子之间的典型彼此作用经由过程费米子的自旋算符表示进去,或许它们可以通报尺度模子费米子之间的第五种力,从而发生自旋相干的新彼此作用(简称新自旋彼此作用)。尺度模子中的另外一个问题是现存于现今宇宙中的重子数不服衡之谜,解决这一问题需求超越尺度模子预测的CP粉碎作用,这与基本费米子的永世电偶极矩(EDM)接洽起来。是以,对有限动态EDM的研究可能有助于展现宇宙中物资的发源。因为自旋的矢量性子,还可以测试基本对称性,如电荷-宇称-时间(CPT)对称性以及洛伦兹对称性。然而,迄今为止,还没有有确实证据标明这些新的彼此作用确凿存正在,焦点难题正在于这些彼此作用极为强劲,是以,急需成长超高活络的自旋探测技能。量子紧密丈量技能哄骗相关、联系关系以及纠缠等特征,可以完成对强劲能级的超高活络丈量,为征采新自旋彼此作用供给了变更性的手腕。焦点探测道理依赖于这些新的自旋彼此作用可以惹起自旋的弱小能量挪动,可以经由过程试验室中的自旋量子传感器来举行探测。为此,国际上数十个研究组已研发诸多自旋量子传感技能,为上述新彼此作用的研究供给了极其严酷的约束边界。

  中国迷信院宏观磁共振重点试验室聚焦自旋量子调控范畴,最近几年来成长了固态自旋、气态自旋等多种自旋系统的量子操控以及紧密丈量技能,并推进其正在新自旋彼此作用征采等前沿范畴的交织使用,承当了基金委根蒂根基迷信中间《超出尺度模子的新物理研究》等研究名目。该室彭新华传授研究团队正在这一范畴取患了体系性的立异研究结果,包含自立研发了基于气态自旋的超活络原子磁力计,而且哄骗该技能完成了无需磁场的新型核磁共振技能——“零磁场核磁共振”[Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018); Adv. Quant. Technol. 3, 2000078 (2020); Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)],到达了国际当先程度的磁场探测活络度。进一步完成了新型的自旋微波激射器,正在低频段制造了国际最好的磁探测活络度[Sci. Adv. 7, eabe0719 (2021)],并开发了新型磁场噪声按捺技能[PRL 133, 023202 (2024)]、量子协同技能[PRL 133, 133202 (2024)]和暗态核自旋缩小技能[PNAS121, e2315696121 (2024)]等。同时,研究组将已成长的平台型量子紧密丈量技能用于寻觅超出尺度模子的新粒子,取患了一系列对鞭策学科范畴成长有实质性孝敬的研究结果,包含哄骗新型量子自旋缩小器征采暗物资候选粒子,初次冲破国际公认最强的宇宙天文学边界[Nat. Phys. 17, 1402 (2021)],和完成了对一类超出尺度模子的新彼此作用的超活络查验,试验边界比先前的国际最佳程度晋升至多2个数目级[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)],并正在轴子窗口内开展了轴子暗物资的试验征采[PRL 129, 051801(2022); PRL 133, 191801 (2024)]。

  这次受邀撰写的《物理进展讲演》综述论文长达32页,江敏传授、苏昊文博士后、陈一帆博士后为配合第一作者,彭新华传授为通信作者。文章体系先容了超出尺度模子的新自旋彼此作用实践,随后具体先容了自旋传感器的事情道理以及活络度极限,接着具体回首了哄骗自旋传感器探测暗物资、电偶极矩、第五力、重力-自旋耦合的基本试验道理以及试验进展,最初瞻望了基于自旋传感器的新自旋彼此作用研究的将来成长趋向以及使用标的目的,为将来有志于从事该标的目的研究的青年职员供给参考。

  《物理进展讲演》是国际物理学界出名综述性期刊,每一年仅颁发约75篇学术论文。该期刊一般没有接管自由投稿,首要是约请正在各范畴卓有建树的物理学家执笔,旨正在对现今物理研究的重年夜热门问题做汗青总结、道理论述、近况阐发以及趋势预测。论文需颠末国际偕行的匿名评审方可颁发。此论文是我国新自旋彼此作用迷信范畴正在该期刊颁发的第一篇综述论文,标记着我国正在自旋量子紧密丈量及新自旋彼此作用研究范畴处于国际当先职位地方。

  相干研究获得了国度天然迷信基金委、科技部以及中国迷信院等恒久撑持。

  论文链接:https://doi.org/10.1088/1361-6633/ad99e6