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我国学者成功研制用于搜寻新粒子的单自旋量子传感器

寻找粒子物理标准模型之外的新粒子，对物理新探索非常重要。从中国科学技术大学获悉，该校杜江峰院士团队近期成功研制出用于搜寻“类轴子粒子”的单电子自旋量子传感器，将搜寻的力程拓展到亚微米尺度。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

新粒子的发现，可用于填补铝板材当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等方面的理论缺陷，例如粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物质不对称性以及暗物质和暗能量的物理本质。

近年来，国际学界发展了一系列精巧的实验装置，在20微米以上的力程范围内开展了电子与核子相互作用的搜寻。但要在更短的力程范围内开展实验研究，则面临一系列挑战：如何构筑一个纺织机尺寸足够小的传感器？如何设计传感器的几何形状从而允许电子和核子充分接近？如何提升传感器的灵敏度，从而给出有意义的限压力泵定？如何有效隔离好环境噪声，尤其是不可避免的电磁噪声？

近期，杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室团队与中科大天文学系、国家同步辐射实验室科研人员合作，提出并实现了一种全新终究的探测方法，即将金刚石近表面NV色心的电子自旋，用作传感器来搜寻小于20微米范围的电子与核子产业发展相互作用。他们制备了离金单向轴承刚石表面10纳米以内的NV色心作为探测器，开发了相应的电子学设备和量子控制方法，解决了上述制约短力程探索的系列难题。实验表明，新传感器可以探索的力程范围是0.1微米到23微米，为电子—核子相互作用的探索提供了新的观测约束。

据介绍，这一新方法也可以推广到其它自旋相关的新相互作用的研究，从而为利用单自旋量子传感器来研究超出标准模型的新物理提供了可能性，有望激发宇宙学、天体物并配有特殊的校订温度计插入装置理和高能物理等多个科学领域的广泛兴趣。