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量子精密測(cè)量為暗物質(zhì)搜尋提供新手段

2021-11-24 11:00:46來(lái)源：

科技日?qǐng)?bào)合肥11月22日電（記者吳長(zhǎng)鋒）記者22日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校彭新華教授研究組與德國(guó)科學(xué)家合作開(kāi)發(fā)出一種新型超靈敏量子精密測(cè)量技術(shù)，并用于暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)直接搜尋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比先前的國(guó)際最好水平提升至少5個(gè)數(shù)量級(jí)，首次突破國(guó)際公認(rèn)最強(qiáng)的宇宙天文學(xué)界限。相關(guān)成果日前在線(xiàn)發(fā)表于《自然·物理學(xué)》。

宇宙物質(zhì)組成中的絕大部分為暗物質(zhì)，占到了約85%，我們所熟悉的普通物質(zhì)只占約15%。為了尋找這些神秘的暗物質(zhì)粒子，多個(gè)國(guó)家布局一系列國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)暗物質(zhì)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)計(jì)劃，然而迄今為止還沒(méi)有找到暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

彭新華研究組利用氣態(tài)氙和銣原子混合蒸氣室，發(fā)明了具有超高靈敏度的新型核自旋量子測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。該工作報(bào)道了一種全新的自旋放大效應(yīng)，其放大機(jī)制完全不同于以往機(jī)制。該技術(shù)利用激光先極化銣原子蒸氣，再利用銣與氣態(tài)氙原子的自旋交換碰撞，從而將氙原子的核自旋極化。相比傳統(tǒng)熱極化方法，新技術(shù)利用光極化的方法獲得了接近0.3的自旋極化度，遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)方法采用對(duì)氙原子進(jìn)行外部探測(cè)，而新技術(shù)通過(guò)銣原子與氙原子的隨機(jī)自旋交換碰撞，就可以將氙原子的信號(hào)高靈敏讀出，極大地簡(jiǎn)化了裝置體積和復(fù)雜度?；谠撐锢頇C(jī)制，研究人員設(shè)計(jì)出磁場(chǎng)量子放大器，并將這臺(tái)自旋放大器與團(tuán)隊(duì)已發(fā)展的原子磁力計(jì)相結(jié)合，將原子磁力計(jì)的磁探測(cè)靈敏度提高了100倍。

大量理論預(yù)測(cè)暗物質(zhì)與原子核會(huì)發(fā)生極微弱的相互作用，這種相互作用相當(dāng)于在原子核自旋上施加一個(gè)微小磁場(chǎng)——“贗磁場(chǎng)”。利用超靈敏磁場(chǎng)探測(cè)裝置可以檢驗(yàn)這一微小的贗磁場(chǎng)，以此來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的跡象。彭新華研究組利用自旋放大器來(lái)放大暗物質(zhì)產(chǎn)生的“贗磁場(chǎng)”，大大提高了暗物質(zhì)的搜尋靈敏度。相比傳統(tǒng)大型暗物質(zhì)科學(xué)裝置，該設(shè)備只需桌面尺寸的空間布局。

這一成果充分展示了量子精密測(cè)量技術(shù)與暗物質(zhì)探測(cè)的交叉融合，有望激發(fā)宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。

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