【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院黃璞教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，利用磁懸浮力傳感器在毫米尺度上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋-質(zhì)量-速度新奇相互作用的高精度探測(cè)，將耦合常數(shù)的實(shí)驗(yàn)約束提升了超過三個(gè)數(shù)量級(jí)。
 

　　大量理論預(yù)言了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用的存在，它們通過軸子、類軸子、暗光子等輕玻色子來傳遞，這些玻色子對(duì)了解暗物質(zhì)的本質(zhì)提供了線索。近年來，對(duì)新奇相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搜尋成為研究重點(diǎn)。其中一種重要模型預(yù)測(cè)，電子自旋與普通物質(zhì)之間可能存在與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的新奇相互作用。然而，當(dāng)前該模型的實(shí)驗(yàn)探測(cè)在亞毫米至毫米尺度仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)扭秤實(shí)驗(yàn)的探測(cè)精度在毫米以下急劇下降，而基于金剛石氮空位色心量子傳感器的探測(cè)則主要聚焦于微米距離尺度。因此，毫米尺度成為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的“盲區(qū)”，亟待高精度探測(cè)技術(shù)的突破。
 

　　圖1. 基于磁懸浮力探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖(左)，該實(shí)驗(yàn)給出的自旋-質(zhì)量-速度新奇相互作用的參數(shù)約束區(qū)間(右)

 

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了磁懸浮力傳感器系統(tǒng)，結(jié)合旋轉(zhuǎn)自旋源的設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了毫米尺度微弱力的高精度探測(cè)(如圖1左)。該系統(tǒng)核心為懸浮于磁阱中磁懸浮力探測(cè)器，其上方放置了一片藍(lán)寶石晶體作為感受新奇相互作用的探測(cè)質(zhì)量。并且，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了由永磁體、鐵層和μ金屬層構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)自旋源，通過周期性改變電子自旋分布產(chǎn)生預(yù)期的新奇相互作用信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用雙測(cè)量模式(“信號(hào)開-關(guān)”對(duì)比)，結(jié)合磁屏蔽、振動(dòng)隔離和靜電屏蔽技術(shù)，將背景噪聲抑制至熱力學(xué)極限。最終在30,000秒的連續(xù)觀測(cè)中未檢測(cè)到顯著信號(hào)，從而對(duì)耦合常數(shù)gAegVN給出了新的實(shí)驗(yàn)約束界限(如圖1右)。該約束覆蓋了0.15-1.5毫米的作用范圍，填補(bǔ)了該尺度參數(shù)空間的長期空白。其中，在λ=0.5毫米處，該實(shí)驗(yàn)確立了耦合常數(shù)gAegVN< 4.39 * 10-26，較此前最優(yōu)結(jié)果提升了超過3個(gè)量級(jí)。
 

　　該研究不僅為新奇相互作用的實(shí)驗(yàn)探測(cè)提供了新思路，還展示了磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在精密力測(cè)量領(lǐng)域的巨大潛力。研究團(tuán)隊(duì)指出，未來通過低溫冷卻(至3K)、降低渦流損耗、增加傳感器質(zhì)量等手段，有望進(jìn)一步將耦合常數(shù)的檢測(cè)精度提升至 10-28 量級(jí)。此外，該平臺(tái)可拓展至其他自旋相關(guān)相互作用的探測(cè)，如電子間新奇自旋-自旋相互作用，為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理探索開辟了新的路徑。
 

　　相關(guān)研究成果以“Constraints on Velocity and Spin Dependent Exotic Interaction at the Millimeter Scale with a Diamagnetic-Levitated Force Sensor”為題，于3月18日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，為超輕玻色子介導(dǎo)的新相互作用研究提供了新的實(shí)驗(yàn)路徑。南京大學(xué)物理學(xué)院的碩士研究生田柯楠、碩士研究生盛元紀(jì)、博士后李睿、博士研究生汪磊為該論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省科學(xué)技術(shù)廳的支持。