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驗檢驗

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、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下最嚴格的實驗限定，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[Phys. Rev. Lett. 132, 180801 (2024)]。

標準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。但是標準模型仍無法解釋當前宇宙天文學(xué)的一些重要觀測事實，例如暗物質(zhì)和暗能量。因此理論學(xué)家提出，存在超越標準模型的新粒子，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，傳遞標準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)的新相互作用的實驗研究比較欠缺，特別是在力程相對較小的范圍內(nèi)，實驗檢驗幾乎沒有。這是因為小力程實驗搜尋的挑戰(zhàn)在于需要在微米尺度同時實現(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)，研究團隊精心設(shè)計了裝配有兩塊金剛石的實驗裝置。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。團隊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尺，然后通過調(diào)制自旋源振動，并進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，該團隊分別在小于1厘米和小于1千米的力程范圍內(nèi)實現(xiàn)了國際上首次實驗探測（如圖b，c），獲取了寶貴的實驗搜尋數(shù)據(jù)。

審稿人對該工作做出了高度評價：“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.”（該實驗利用緊湊、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：實驗裝置和實驗結(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)的相互作用的實驗觀測約束。