量子精密測量技術(shù)用于暗物質(zhì)實(shí)驗直接搜尋 提高暗物質(zhì)搜尋靈敏度

記者22日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校彭新華教授研究組與德國科學(xué)家合作開(kāi)發(fā)出一種新型超靈敏量子精密測量技術(shù)，并用于暗物質(zhì)的實(shí)驗直接搜尋，實(shí)驗結果比先前的國際最好水平提升至少5個(gè)數量級，首次突破國際公認最強的宇宙天文學(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)國家布局一系列國家級甚至世界級暗物質(zhì)探測的實(shí)驗探測計劃，然而迄今為止還沒(méi)有找到暗物質(zhì)存在的直接證據。

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量技術(shù)，實(shí)現了國際最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。該工作報道了一種全新的自旋放大效應，其放大機制完全不同于以往機制。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，遠超過(guò)傳統方法。傳統方法采用對氙原子進(jìn)行外部探測，而新技術(shù)通過(guò)銣原子與氙原子的隨機自旋交換碰撞，就可以將氙原子的信號高靈敏讀出，極大地簡(jiǎn)化了裝置體積和復雜度?；谠撐锢頇C制，研究人員設計出磁場(chǎng)量子放大器，并將這臺自旋放大器與團隊已發(fā)展的原子磁力計相結合，將原子磁力計的磁探測靈敏度提高了100倍。

大量理論預測暗物質(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)探測裝置可以檢驗這一微小的贗磁場(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。相比傳統大型暗物質(zhì)科學(xué)裝置，該設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量技術(shù)與暗物質(zhì)探測的交叉融合，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)基礎科學(xué)的廣泛興趣。(科技日報記者 吳長(cháng)鋒)

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