新技術為暗物質搜尋提供變革性手段

　　中國科學技術大學教授彭新華研究組與德國科學家合作開發出一種新型超靈敏量子精密測量技術，并用于暗物質的實驗直接搜尋，實驗結果比先前的國際最好水平提升至少5個數量級，首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限。相關成果日前在線發表于《自然—物理學》。

　　宇宙物質組成中的絕大部分為暗物質，占到了約85%，我們所熟悉的普通物質只占約15%。為了尋找這些神秘的暗物質粒子，多個國家布局了一系列國家級甚至世界級暗物質探測的實驗探測計劃，然而迄今為止還沒有找到暗物質存在的直接證據。

　　彭新華研究組利用氣態氙和銣原子混合蒸氣室，發明了具有超高靈敏度的新型核自旋量子測量技術，實現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，其放大機制完全不同于以往機制。該技術利用激光先極化銣原子蒸氣，再利用銣與氣態氙原子的自旋交換碰撞，從而將氙原子的核自旋極化。相比傳統熱極化方法，新技術利用光極化的方法獲得了接近0.3的自旋極化度，遠超傳統方法。傳統方法采用對氙原子進行外部探測，而新技術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雜度。基于該物理機制，研究人員設計出磁場量子放大器，并將這臺自旋放大器與團隊已發展的原子磁力計相結合，將原子磁力計的磁探測靈敏度提高了100倍。

　　大量理論預測暗物質與原子核會發生極微弱的相互作用，這種相互作用相當于在原子核自旋上施加一個微小磁場——“贗磁場”。利用超靈敏磁場探測裝置可以檢驗這一微小的贗磁場，以此來尋找暗物質粒子存在的跡象。彭新華研究組利用自旋放大器來放大暗物質產生的“贗磁場”，大大提高了暗物質的搜尋靈敏度。相比傳統大型暗物質科學裝置，該設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與暗物質探測的交叉融合，有望激發宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學的廣泛興趣。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z