新型量子測量突破宇宙天文學界限

    記者11月22日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校彭新華教授研究組與德國科學家合作開發(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)的實驗直接搜尋，實驗結(jié)果比先前的國際最好水平提升至少5個數(shù)量級，首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限。相關(guān)成果日前在線發(fā)表于《自然·物理學》。

    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，多個國家布局一系列國家級甚至世界級暗物質(zhì)探測的實驗探測計劃，然而迄今為止還沒有找到暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

    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)，實現(xiàn)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(yīng)，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(tǒng)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，遠超過傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)方法采用對氙原子進行外部探測，而新技術(shù)通過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，極大地簡化了裝置體積和復(fù)雜度?；谠撐锢頇C制，研究人員設(shè)計出磁場量子放大器，并將這臺自旋放大器與團隊已發(fā)展的原子磁力計相結(jié)合，將原子磁力計的磁探測靈敏度提高了100倍。

    彭新華研究組利用自旋放大器來放大暗物質(zhì)產(chǎn)生的“贗磁場”，大大提高了暗物質(zhì)的搜尋靈敏度。相比傳統(tǒng)大型暗物質(zhì)科學裝置，該設(shè)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、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎(chǔ)科學的廣泛興趣。