中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、榮星課題組與浙江大學(xué)焦曼研究員合作，利用固態(tài)自旋量子傳感器對兩種速度相關(guān)的新奇自旋相互作用在小尺度給出了當(dāng)下最嚴(yán)格的實驗限定，該成果以“New Constraints on Exotic Spin-Spin-Velocity-Dependent Interactions with Solid-State Quantum Sensors”為題發(fā)表在4月30日的物理評論快報[Phys. Rev. Lett. 132, 180801 (2024)]。

標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理中非常成功的理論框架，描述了基本粒子和四種基本相互作用。但是標(biāo)準(zhǔn)模型仍無法解釋當(dāng)前宇宙天文學(xué)的一些重要觀測事實，例如暗物質(zhì)和暗能量。因此理論學(xué)家提出，存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，如軸子、類軸子和Z’玻色子等。這些粒子可能是我們理解宇宙更深層次的關(guān)鍵。理論指出新粒子可以作為傳播子，傳遞標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的新相互作用，譬如可以誘導(dǎo)出自旋與自旋之間速度相關(guān)的新相互作用。目前國際上對自旋與自旋之間速度相關(guān)的新相互作用的實驗研究比較欠缺，特別是在力程相對較小的范圍內(nèi)，實驗檢驗幾乎沒有。這是因為小力程實驗搜尋的挑戰(zhàn)在于需要在微米尺度同時實現(xiàn)相干調(diào)控自旋量子態(tài)、高精度磁探測以及空間位置精密調(diào)制。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊精心設(shè)計了裝配有兩塊金剛石的實驗裝置。每塊金剛石表面都通過化學(xué)氣相沉積法制備了高品質(zhì)的氮-空位(NV)系綜（如圖a）。其中一塊NV系綜中的電子自旋作為自旋傳感器，而另一塊則作為自旋源。團(tuán)隊通過相干操控兩塊金剛石NV系綜的自旋量子態(tài)及其相對速度，從而在微米尺度搜尋了電子自旋之間速度相關(guān)的新相互作用效應(yīng)。首先利用自旋傳感器表征其與自旋源之間的磁偶極相互作用作為標(biāo)尺，然后通過調(diào)制自旋源振動，并進(jìn)行鎖相探測和相位正交分析來測量速度相關(guān)的自旋-自旋新相互作用。對于兩種新相互作用，該團(tuán)隊分別在小于1厘米和小于1千米的力程范圍內(nèi)實現(xiàn)了國際上首次實驗探測（如圖b，c），獲取了寶貴的實驗搜尋數(shù)據(jù)。

審稿人對該工作做出了高度評價：“The results bring new insights to the quantum sensing community to explore fundamental interactions exploiting the compact, flexible, and sensitive features of solid-state spins.”（該實驗利用緊湊、靈活和靈敏的固態(tài)自旋體系探索基本相互作用，為量子傳感領(lǐng)域帶來了新的見解。）

圖：實驗裝置和實驗結(jié)果。(a)兩塊制備有高品質(zhì)NV系綜的金剛石被用于開展自旋-自旋速度相關(guān)相互作用搜尋。(b,c)對兩種自旋-自旋速度相關(guān)的相互作用的實驗觀測約束。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室研究生黃越和梁航為該文共同第一作者，杜江峰院士、榮星教授、焦曼研究員為該文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院等資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.180801

（中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）