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《中国科学技术大学科学家利用量子精密测量技术开展暗物质桌面式搜寻》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-11-25

  • 中国科学技术大学教授彭新华和副教授江敏等在轴子暗物质探测方面取得进展。该研究利用量子精密测量技术在“轴子窗口”内开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升了至少50倍。近日，相关研究成果以New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为编辑推荐文章。同时，美国物理学会Physics Viewpoint栏目刊发了美国印第安纳大学伯明顿分校教授Michael

    Snow撰写的题为Searching for Axions in Polarized Gas的专文评述。

    近年来，有研究提出，一些特定理论模型预测轴子和Z'玻色子或存在于“轴子窗口”。而轴子暗物质的信号微弱，易被环境噪声和经典磁场的干扰信号掩盖，因此仅有少数团队在这一质量范围开展过实验搜寻。

    该研究利用两个相距60毫米的极化129Xe原子系综，在轴子窗口内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。实验装置中，一个129Xe原子系综充当自旋传感器，另一个129Xe原子系综作为自旋源。为了提高129Xe核自旋的极化度或探测灵敏度，研究在129Xe原子系综中混入碱金属Rb，实现了对129Xe极化矢量信号145倍放大，构建了超灵敏的轴子暗物质探测器。

    实验中，对自旋源中的129Xe原子系综施加磁场脉冲，使129Xe原子的核自旋翻转90°，进而这些原子以特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。理论预期提出，这类进动的129Xe原子将通过轴子传递自旋相互作用至自旋传感器中的129Xe，从而产生潜在的轴子暗物质信号。为了捕捉这一微弱信号，研究利用激光探针监测129Xe传感器的极化状态，寻找可能揭示轴子暗物质存在的微小偏差。而轴子暗物质信号极其微弱，使得经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的挑战。为了克服这一挑战，研究设计了磁屏蔽系统，将经典磁场信号抑制了1010倍。同时，研究采用引力波探测应用的最优滤波技术，以最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究暂时未发现轴子暗物质存在的直接证据，仍在“轴子窗口”内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录。

    上述研究展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的潜力，为未来的相关研究奠定了基础。

    研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、中国博士后科学基金会等的支持。

    论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191801

    APS Physics Viewpoint报道链接：https://physics.aps.org/articles/v17/157

  • 原文来源：https://www.cas.cn/syky/202411/t20241119_5039872.shtml
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  • 《中国科学技术大学在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
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    • 中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授团队在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展，发现了混合原子自旋之间的法诺共振干涉效应，提出了全新的磁噪声抑制技术，成功降低磁噪声干扰至少2个数量级。相关研究成果以“New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer”为题发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 133, 023202 (2024)]。 在过去数十年中，超越粒子物理标准模型的奇异自旋相互作用，已引起精密测量领域的广泛关注。这些奇异自旋相互作用涵盖了很多前沿领域，例如搜寻自旋-暗物质粒子相互作用、第五力、永久电偶极矩、自旋-引力耦合，以及对CPT和洛伦兹不变性的检验等。在这些精密实验中，奇异相互作用可以引起自旋的微小能级移动，从而等效为作用在自旋上的磁场，极弱磁场测量技术为检验这类微弱磁场信号提供了全新手段。其中，彭新华教授、江敏副教授团队在2021年首次利用基于氙原子（Xe129）的自旋放大器，开展了暗物质的直接搜寻实验并且首次突破宇宙天文学界限（SN1987A）[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，还完成多个奇异相互作用实验[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。然而，这些研究普遍面临一个巨大的实验挑战：信号极其微弱，常被噪声背景掩盖，尤其是容易受到磁噪声及其他与磁场相关的系统性效应的干扰。为了克服这些挑战，原子共磁力计提供了一个重要的解决方案，它利用两种不同的自旋来减小磁场漂移和波动的影响。然而，以往原子共磁力计仅对低频磁噪声（小于1Hz）有效，严重阻碍了在广阔的未探索参数空间中对奇异自旋相互作用的实验搜寻。 针对上述难题，研究团队发展了基于法诺共振干涉相消的磁噪声抑制方法，并在气态氦和钾原子混合体系中进行了实验验证。在该体系中，被激光极化的钾原子作为气态氦原子核自旋的极化和读出手段，通过自旋交换碰撞实现对氦原子核自旋的极化。其中的核心思想是，钾原子和氦原子间的自旋交换耦合还导致它们各自感受到来自另一种原子的等效磁场，其中钾原子感受到的氦原子等效磁场和外界磁噪声发生相消干涉时就实现了磁噪声抑制。在以往的实验中，偏置磁场通常需要设定为与氦原子产生的等效场等大反向，以使氦原子核自旋绝热地随外界低频磁噪声变化从而达到抑制效果。本文研究人员在实验中发现，通过改变施加的偏置磁场大小，同时相应调整探测方向与外界特定频率磁噪声之间的夹角，可以实现对更高频率磁噪声的有效抑制，并从法诺共振干涉相消这个新的角度为实验现象提供了完整而精确的理论解释。研究人员利用上述磁噪声自补偿效应在实验上展示了从近直流到高达200Hz范围内对磁噪声的抑制，且抑制倍数均在2个量级以上。 该项工作指出，在磁探测灵敏度受磁噪声（如磁屏蔽材料产生的约翰逊噪声等）限制的情形下，利用该磁噪声自补偿效应有望将赝磁场探测灵敏度提升1个量级，在更广频率范围内达到0.1fT/Hz1/2水平。这项技术将用于基础物理研究中的暗物质探测、奇异自旋相互作用的探测等领域，具有重要的科学意义和应用前景。 中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生秦毓舒、邵朕涵为该文共同第一作者，彭新华教授、江敏副教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。 论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.023202
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  • 《费米实验室利用量子技术寻找暗物质》
    • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
    • 编译者：魏韧
    • 发布时间：2019-06-27
    • 2018年10月16日，国际物理研究知名门户网站Phys.org报道，费米国家加速器实验室（Fermilab）的科学家Aaron Chou等正在利用量子技术寻找暗物质以轴子形式存在的直接证据。 几十年来，物理学家一直致力于搜寻暗物质，并提出了暗物质的几个基本粒子，包括弱相互作用大质量粒子（WIMP）和轴子（axion）。轴子的质量很轻，相当于一个电子伏特的百万分之一到千分之一。而WIMP的质量约为轴子的1万亿倍或1千万亿倍，这意味着它们足以通过偶尔撞击其他原子核产生可观测信号。为了寻找WIMP，科学家建造了装满液氙或锗晶体的探测器，如美国“桑福德地下研究设施”（SURF）开展的LUX-ZEPLIN暗物质实验，或在美国明尼苏达开展的SuperCDMS Soudan实验。但是，轴子的质量过小，不能用这种方式进行寻找。 华盛顿大学开展的“轴子暗物质实验”（ADMX）和耶鲁大学开展的HAYSTAC实验都在试图利用轴子与强磁场相遇时产生的单个光子（属于微波频率）来确认轴子的存在。这些实验利用一个强大的超导磁体在微波腔室中将轴子转化为光子。腔室可以被设置成不同的共振频率，以增强光子场和轴子之间的相互作用。但是，探测光子的放大器性能存在基本的量子限制。光子是随处可见的，这就使实验受到高度噪声干扰，必须设法将轴子产生的光子信号从微波腔室中探测到的全部信号里过滤出来。而在更高共振频率的情况下，信号与噪音的比例会逐渐变得越来越糟糕。 Aaron Chou带领的研究团队正在探索如何利用用于量子技术和信息处理的技术来解决这一问题。他们意在开发新的轴子探测器，用量子比特来十分精确地计算光子信号。在量子计算机中，信息存储在量子比特中，与只有0和1两种状态的传统计算机字节不同，量子比特可以以量子叠加的方式存在，即在粒子的双量子状态的基础上增加其他状态。这一特征可以在量子计算机中得到无数的潜在应用，物理学家刚刚开始在这方面的探索。对于传统的基于天线的探测器而言，如果要探测到由一个轴子产生的光子，就需要将光子吸收，这一过程会对光子造成破坏。而一个量子比特可以与光子多次发生相互作用，而不会使其湮灭。出于这个原因，基于量子比特的探测器将有更大的几率帮助科学家捕捉到暗物质。 在很多量子计算机中，量子比特存储在由超导材料做成的腔室中。超导体有反射率很高的内壁，能长时间困住光子，以便能对其开展运算。但Aaron Chou无法采用这种方式，因为其设计的实验中具有强磁场，会破坏超导体。近期他们正在用铜来做为替代反射器，但是铜无法将光子保存很长时间，这意味着光子难以作为信号被获取。因此Aaron Chou等正试图用低耗损的晶体开发一种能够将光子困住较长时间的材料，例如多层玻璃组成的腔室等。 Aaron Chou带领的研究团队包括来自费米实验室、美国国家标准与技术研究所（NIST）、芝加哥大学、科罗拉多大学（Colorado）和耶鲁大学的科学家，最近他们申请到了美国能源部（DOE）“量子信息科学促进发现”项目（QuantISED）资金，将在两年内获得210万美元的资助。
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