中国科学家“超灵敏量子技术”助力搜寻暗物质

近期，中国科学技术大学彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术，并用于暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前国际最好水平提升至少5个数量级。国际权威学术期刊《自然·物理学》日前发表了该成果。

在宇宙物质质量中，普通物质约占15%，其余85%都是暗物质。为了寻找这些神秘的暗物质粒子，全球多个国家启动实验探测计划，但迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。

近期，中科大彭新华教授研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术，实现了新型核自旋磁传感器。该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。

彭新华教授研究组提出的自旋放大器基本原理（左）和超灵敏磁场放大效应（右）。（科研团队供图）

基于新的物理机制，研究人员进一步设计出磁场量子放大器，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。理论预测，暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——赝磁场，利用超灵敏磁场探测装置可以检验赝磁场，以此寻找暗物质粒子存在的迹象。

彭新华教授研究组利用自旋放大器，放大暗物质产生的赝磁场，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度，并完成了feV-peV低能区暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前国际最好水平提升至少5个数量级。相比传统的大型暗物质科学装置，该设备只需日常桌面尺寸的空间布局。

据介绍，这一成果展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望推动宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础学科的发展。