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利用单自旋量子传感器对新奇自旋相互作用做出新实验限定

( 2018-08-27 )

ICQD成员杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室利用单自旋量子传感器,对超越标准模型自旋为1的轴矢量玻色子在微米尺度给出新的实验限定,该结果相比针对这种相互作用的原有国际最好水平在力程500微米处提升50倍左右。该成果以“Constraints on a Spin-Dependent Exotic Interaction between Electrons with Single Electron Spin Quantum Sensors”为题,发表在2018822日的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 121, 080402 (2018)]

诺贝尔奖得主 Wilczek 1984年提出轴子或类轴子可能诱导新奇自旋相互作用,因此提出在实验室搜寻这种宏观尺度相互作用的可能。2006 Dobrescu Mocioiu 将这种新奇自旋相互作用扩展到传播子为一般玻色子的情形,列举出16种新奇自旋相互作用的形式。近年来,有很多物理实验对这16种新奇自旋相互作用展开研究并给出实验限定。杜江峰团队2018年初在国际上首次提出可以将金刚石氮-空位色心(NV色心)单电子自旋量子传感器用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用,并将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9, 739 (2018)]

在本工作中,杜江峰团队利用NV色心单电子自旋量子传感器,对自旋为1的轴矢量玻色子诱导的极化电子之间的相互作用展开研究。研究人员首先发展了基于NV色心的极化电子自旋信号测量技术[Phys. Rev. Applied 9, 064003 (2018)],成功探测到激光极化后的并五苯样品产生的极化电子自旋信号。然后利用不同深度的NV色心测量极化电子自旋信号,并将实验数据与标准模型以内的磁偶极相互作用比较分析。研究人员在其有效力程范围未发现新粒子存在的证据,这为极化的电子-电子相互作用的探索提供了新的实验观测约束。

审稿人高度评价该工作“是一个新颖的方法,通过最先进的测磁技术对新奇相互作用给出限定”。该工作说明利用NV色心单自旋量子传感器来研究各种超出标准模型的新物理有独特优势,有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个基础科学的广泛兴趣。

中科院微观磁共振重点实验室荣星研究员是文章的第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和安徽省的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.080402


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