我国学者成功研制用于搜寻新粒子的单自旋量子传感器

新华社合肥2月25日电(记者徐海涛)发现超越粒子物理标准模型的新粒子对于物理学的新探索非常重要。记者从中国科技大学了解到，杜江峰院士团队最近成功研制出一种单电子自旋量子传感器，用于搜索“类轴子粒子”，将搜索过程扩展到亚微米级。国际权威学术期刊《自然通讯》最近公布了研究结果。

新粒子的发现可以用来填补当前粒子物理学、天体物理学和宇宙学中的理论缺陷，如粒子质量等级问题、强CP困难、正负物质的不对称性以及暗物质和暗能量的物理本质。

近年来，国际学术界已经开发了一系列精巧的实验装置，来探索电子和核子在20微米力范围内的相互作用。然而，为了在更短的力范围内进行实验研究，它面临着一系列的挑战:如何建造一个足够小的传感器？如何设计传感器的几何形状，使电子和原子核能够充分地相互靠近？如何提高传感器的灵敏度，给出一个有意义的极限？如何有效隔离环境噪声，尤其是不可避免的电磁噪声？

最近，由杜江峰领导的中科院微磁共振重点实验室团队，与中国科技大学天文系和国家同步辐射实验室的科研人员合作，提出并实施了一种全新的探测方法，即利用金刚石表面附近的NV色心的电子自旋作为传感器，在小于20微米的范围内寻找电子与核子的相互作用。他们制备了离金刚石表面10纳米以内的NV色心作为探测器，开发了相应的电子设备和量子控制方法，解决了上述一系列制约短程探测的问题。实验表明，新传感器可探测的力范围为0.1微米至23微米，为探索电子-核子相互作用提供了新的观测约束。

据介绍，这种新方法还可以扩展到其他与自旋相关的新相互作用的研究，从而提供了使用单自旋量子传感器来研究标准模型之外的新物理的可能性，并有望在宇宙学、天体物理学和高能物理学等许多科学领域激发广泛的兴趣。《自然通讯》的评论者高度评价了这项工作，并认为这种新的实验方法为直接检测大质量的轴晶开辟了一个实验窗口。