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中科大团队突破宇宙天文学界限,研发超灵敏量子精密测量技术

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DeepTech深科技 2021-11-27 21:49

在以男性科学家为主物理科研圈中,彭新华是一抹亮丽的柔彩。出生于湖南小城,德国留学、工作后归来,回国入职中科大六年后,获得国家杰青。

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图 | 彭新华(来源:彭新华百科)

11 月 18 日,她带领课题组联手合作伙伴,开发出新型超灵敏的量子精密测量技术,并利用该技术进行暗物质的实验直接搜寻,首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限,实验结果比此前国际最佳水平高出至少 5 个数量级。

具体来说,她所负责的中国科大中科院微观磁共振重点实验室核磁共振量子信息课题组,联合德国亥姆霍兹研究所德米特里·巴克尔(Dmitry Budker)教授团队,研发出上述新技术,实现了对暗物质实验的直接搜寻。

相关论文以《用自旋放大器寻找类轴子暗物质》(Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers)为题,发表在 Nature Physics 上[1]。

图 | 相关论文(来源:Nature Physics)

中科院微观磁共振重点实验室副研究员江敏、以及博士生苏昊文,担任论文共同第一作者,彭新华则是通讯作者。

宇宙含有 85% 左右暗物质,人类对其却知之甚少

天文学研究间接表明,暗物质是宇宙物质中的绝大组成部分,大约占 85%,普通物质则只占 15% 左右。

那么,暗物质究竟是什么?暗物质粒子质量和性质又是什么?对此人们甚少了解。

大量理论提出,弱相互作用大质量粒子、轴子、暗光子等是暗物质的热门候选粒子。为研究这些神秘的粒子,各国相关机构先后成立国家级、乃至世界级的暗物质探测计划,譬如 ADMX、CAST、GNOME 等。

宇宙的浩瀚超乎想象,即便人类付出了不少努力,但仍未找到暗物质存在的直接证据。

而本次研究要解决的问题在于,尽管有天体物理证据表明暗物质存在,但尚未能直接检测到任何暗物质和标准粒子系统的相互作用,并且目前的实验搜寻灵敏度还远低于国际公认最强的宇宙天文学界限。

而暗物质的发现,可让人类可以更好理解宇宙,并能带来常规粒子体系之外的天体物理学和宇宙学见解。

暗物质世界中有各种候选粒子,其中弱相互作用的大质量粒子在过去四十年里引起了最多关注。尽管有许多提高灵敏度的实验,但尚无实验可证明大质量粒子存在的特征,而来自中微子底部的背景噪声,会给弱相互作用粒子的搜索灵敏度带来较大的限制。

作为一种从解决强 CP(Charge Parity,电荷宇称)破缺研究中提出的新粒子,轴子是另一种暗物质的极佳候选粒子。但是,传统的粒子物理探测技术比如粒子对撞技术,无法用于超轻质量范围的轴子搜寻。

最近,轴子-核子的相互作用引起了科学家们的注意。其中,轴子粒子可以产生一个时间振荡的磁场和核自旋耦合,再利用核磁共振技术进行相关实验,即可直接寻找轴子-核子之间的相互作用。

研发基于核自旋量子测量的技术,兼具超高灵敏度和“桌面式”特征

工欲善其事,利其器。为更好搜寻暗物质,彭新华团队借助气态氙和铷原子混合蒸气室,发明出新型超灵敏量子精密测量技术,这是一种基于核自旋量子测量的技术,兼具超高灵敏度和“桌面式”特征。

图 | 该研究提出的自旋放大器基本原理(左);超灵敏磁场放大效应(右)(来源:Nature Physics)

该测量技术基于一种全新自旋放大效应的发现与利用:即在外界待测磁场的频率约等于氙原子的塞曼频率时,氙原子会把待测磁场的强度起码放大 100 倍。借助该技术,他们实现了截至目前全球灵敏度最好的核自旋磁传感器。

和以往机制完全不同的是,这种新型放大机制具备两大优势:

其一,使用激光先极化铷原子蒸气,再借助铷和气态氙原子的自旋交换碰撞,即可把氙原子核自旋进行极化,自旋极化度为 0.3,远超传统方法的~10-6。

其二,相比传统的对氙原子进行外部探测的方法,该工作仅利用铷原子和氙原子的在气室内部随机自旋交换碰撞,即可高灵敏地读出氙原子的信号,装置体积和复杂度得以大大简化。

在上述物理机制之下,该团队造出首台磁场量子放大器——自旋放大器(spin-based amplifier),由于具备超低磁场本底噪声,所以它是极佳的磁场放大设备。

结合这款自旋放大器,该团队将此前发展出的原子磁力计的磁探测灵敏度提高了 100 倍,灵敏度达到 fT 水平(1fT=10-15T)。

图 | 灵敏度达到 fT 水平(来源:Nature Physics)

据悉,由于可实现超高灵敏度的磁场探测,因此在暗物质搜寻中,量子精密测量技术可提供一项变革性手段。

此前已有大量理论预测,原子核能和暗物质产生极其微弱的作用,进而会给原子核自旋施加微小的磁场也叫赝磁场。

当使用超灵敏磁场探测装置,即可对微小赝磁场进行检验,从而去探寻暗物质粒子的存在迹象。

基于此,借助自旋放大器去对暗物质产生的“赝磁场”进行放大,即可提升暗物质的搜寻灵敏度。在实验中,研究组直接搜寻了 feV-peV 低能区暗物质,得到的暗物质与原子核耦合强度界限,比国际最佳界限起码高出 5 个数量级,宇宙天文学界限得以被首次突破。

与此同时,相比传统大型暗物质科学装置,该研究使用的仪器设备仅需要桌面尺寸大小的空间。

图 | 该研究的暗物质搜寻结果:暗光子与原子核的耦合界限(左),轴子与原子核的耦合界限(右

同时,该团队的实验通过暗光子电场与暗电偶极矩(dEDM)的耦合,限制了核与暗光子的自旋相互作用。

相关方法还可扩展到同步传感器网络,由于实验中使用的设备规模小、价格低廉,因此这种传感器网络有希望为多信使天文学组成一个奇异场望远镜阵列,比如通过传感器数量的平方根提高灵敏度,并允许区分奇异物理信号和伪噪声。此外,将这种网络中多个传感器的读数关联起来,还可帮助解决玻色子暗物质的随机波动问题。

对于该研究三位审稿人分别评价称:“该原创工作将激发轴子搜寻和天文观测领域的广泛兴趣”,“是轴子搜寻领域的重要进展”,“这个结果将引起物理学家的广泛兴趣”。

概括来说,该研究是暗物质探测和量子精密测量技术的交叉融合,或将激发人类对于粒子物理学、宇宙天文学、原子和分子物理学等学科的兴趣。超高灵敏度的极弱磁场测量变革性新技术的发展,除了他们在这个研究中基础物理方面的应用外,未来极有希望应用于脑磁和心磁的诊断、深空磁探测、国防安全等重要领域。

冰冻三尺非一日之寒,此前已有较多积累

多年来,彭新华团队专注于研究核磁共振体系量子信息处理,已系统性研究了量子精密测量、量子模拟、量子计算、量子控制等重要课题。

一开始,他们使用外购的商品化仪器,后面开始自力更生即自主搭建量子精密测量平台,从源头上提高原创性,也给攻克相关难题提供了独辟蹊径的思路。比如,近年来使用量子精密测量技术来搜寻新粒子,已让该团队斩获多项全球领先的成果。据悉,彭新华团队近期利用超灵敏量子测量技术开展了“第五种力”的实验搜寻,获得了国际上最强的Z’波色子的约束界限,该研究成果也于 11 月 17 日发表在Science Advances [2]。通过该团队的这些成果,中国在新粒子探测领域的国际地位得以提高。

此前,她带领团队在全球范围内率先开展了绝热量子模拟的实验研究,并且还是量子计算分解质因数最大数的国际纪录保持者。2015 年,她和团队第一次实现了对于虚磁场中“李-杨零点”的探测,“李-杨零点”于 20 世纪下半叶由华裔科学家李政道和杨振宁提出,六十多年来一直被认为只存在在理论中、非物理的概念。

当年,她还获得第十二届“中国青年女科学家奖”,据悉,是安徽省第二位获此殊荣的科学家。

图| 研究历程以及取得的重要研究进展(来源:中科大)

彭新华生于湖南岳阳,本科毕业于湖南师范大学物理系,后获得中科院武汉物理与数学研究所博士学位。2003 年 8 月至 2005 年 8 月,以洪堡学者身份在德国多特蒙德大学做研究,此后继续在德国做了几年研究。

后来,她选择回国并加入中科大。原因有二:其一,就研究量子信息来说,这里的起点高、实力强,潘建伟院士、杜江峰院士和郭光灿院士的三支团队已成为科大量子成果的名片;其二,她所在的校区位于合肥,虽然不是北京、上海那样的大城市,但她很喜欢这里偏居一隅的科研环境。

由于在武汉读过书,至今她仍和当地学者保持紧密合作。该论文发表的不久之前,她和华中科技大学吕新友教授的合作论文,也已发表在 Nature Communications 上[3],在那项研究中他们完成量子模拟领域的重要实验。

-End-

支持:张智

参考:
1. Jiang, M., Su, H., Garcon, A. et al. Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers. Nat. Phys. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z

2. H. Su, Y. Wang, M. Jiang, W. Ji, P. Fadeev, D. Hu, X. Peng, and D. Budker. Search for exotic spin- dependent interactions with a spin-based amplifier. SCIENCE ADVANCES, 7(47):eabi9535, 2021.

3. X. Chen, Z. Wu, M. Jiang, X.-Y. Lu ̈, X. Peng, and J. Du. Experimental quantum simulation of super- radiant phase transition beyond no-go theorem via antisqueezing. Nature Communications, 12(1):6281, 2021.

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