中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、榮星等人對一類速度相關的新奇自旋相互作用在微米尺度給出了當下最嚴格的實驗限定，該成果以“Experimental Constraints on an Exotic Parity-Odd Spin- and Velocity-Dependent Interaction with a Single Electron Spin Quantum Sensor”為題發表在6月29日的物理評論快報[Phys. Rev. Lett. 127, 010501(2021)]。

目前天文學和物理學中，暗物質及其相關物理研究是一個尚待探索的、並且極其重要的研究領域，圍繞這一方向的研究能夠讓我們對占據宇宙比分約四分之一的物質存在有更好的了解，並由此可能孕育出一系列重大的基礎科學突破。粒子物理標準模型是描述微觀粒子世界的一個非常成功的理論模型，但是標準模型中並不包括暗物質，需要從理論和實驗上尋找超出標準模型的粒子作為暗物質的候選者。1984年，科學家提出一種標準模型以外的新奇自旋相互作用，這種相互作用可以由標準模型以外的新玻色子誘導，譬如軸子、類軸子、暗光子，Z’玻色子等。這些新的玻色子有著不同的理論背景，如軸子是在20世紀70年代，科學家為了解決強相互作用的CP問題提出的。此後一系列精密的科學實驗被用於探索這些新奇自旋相互作用。

2018年2月，杜江峰團隊在國際上首次提出利用金剛石中氮-空位缺陷作為單自旋傳感器來搜尋新奇自旋相互作用[Nature Communications 9, 739 (2018)]；同年8月，基於該單自旋傳感器搜尋極化自旋之間的新奇相互作用，給出了微米尺度最優實驗限定[Physical Review Letters 121, 080402 (2018)]。這些工作均以靜態的新奇自旋相互作用為研究對象，充分展示了金剛石氮-空位缺陷單自旋量子傳感器在微納尺度對新物理的探索能力。

近期該團隊開展了一類速度相關的新奇自旋相互作用的實驗探索。他們通過石英音叉帶動質量源在垂直金剛石表面的方向做簡諧運動，並精心設計實驗序列將所要探索的新相互作用轉化成單自旋量子傳感器的量子相位信息。該實驗對一類速度相關的新自旋相互作用在微米尺度給出了新的實驗限定，其中在200微米處的限定比以往基於銫、鐿、鉈原子光譜的實驗結果嚴格4個數量級。

圖：紅線是此次實驗對新奇自旋相互作用耦合常數gAegAe作出的實驗限定。

審稿人對該工作做出了高度評價：“這篇文章展示了量子測量技術與基礎物理檢驗的聯姻，對廣大物理學家極具吸引力。”（This paper presents a very interesting marriage of quantum sensing techniques and test of fundamental interactions (traditionally in particle physics), which is highly appealing to general physicists.）

中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生焦曼和郭茂森為該文共同第一作者，天文系蔡一夫教授為理論合作者，杜江峰院士和榮星特任教授為該文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.010501

（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）