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量子精密测量为暗物质搜寻提供变革性手段 只需桌面尺寸的空间布局

  • 2021-11-23 14:34:09 来源:科技日报

记者22日从中国科学技术大学获悉,该校彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术,并用于暗物质的实验直接搜寻,实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级,首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。相关成果日前在线发表于《自然·物理学》。

宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质,占到了约85%,我们所熟悉的普通物质只占约15%。为了寻找这些神秘的暗物质粒子,多个国家布局一系列国家级甚至世界级暗物质探测的实验探测计划,然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。

彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室,发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术,实现了国际最佳灵敏度的核自旋磁传感器。该工作报道了一种全新的自旋放大效应,其放大机制完全不同于以往机制。该技术利用激光先极化铷原子蒸气,再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞,从而将氙原子的核自旋极化。相比传统热极化方法,新技术利用光极化的方法获得了接近0.3的自旋极化度,远超过传统方法。传统方法采用对氙原子进行外部探测,而新技术通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞,就可以将氙原子的信号高灵敏读出,极大地简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制,研究人员设计出磁场量子放大器,并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合,将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

大量理论预测暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用,这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的赝磁场,以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”,大大提高了暗物质的搜寻灵敏度。相比传统大型暗物质科学装置,该设备只需桌面尺寸的空间布局。

这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合,有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。(科技日报记者 吴长锋)

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