【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院黃璞教授團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊合作，利用磁懸浮力傳感器在毫米尺度上首次實現(xiàn)了對自旋-質(zhì)量-速度新奇相互作用的高精度探測，將耦合常數(shù)的實驗約束提升了超過三個數(shù)量級。
大量理論預(yù)言了超越標準模型的新相互作用的存在，它們通過軸子、類軸子、暗光子等輕玻色子來傳遞，這些玻色子對了解暗物質(zhì)的本質(zhì)提供了線索。近年來，對新奇相互作用進行實驗搜尋成為研究重點。其中一種重要模型預(yù)測，電子自旋與普通物質(zhì)之間可能存在與相對運動速度相關(guān)的新奇相互作用。然而，當前該模型的實驗探測在亞毫米至毫米尺度仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)扭秤實驗的探測精度在毫米以下急劇下降，而基于金剛石氮空位色心量子傳感器的探測則主要聚焦于微米距離尺度。因此，毫米尺度成為實驗檢測的“盲區(qū)”，亟待高精度探測技術(shù)的突破。
圖1. 基于磁懸浮力探測器的實驗系統(tǒng)示意圖(左)，該實驗給出的自旋-質(zhì)量-速度新奇相互作用的參數(shù)約束區(qū)間(右)
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了磁懸浮力傳感器系統(tǒng)，結(jié)合旋轉(zhuǎn)自旋源的設(shè)計，成功實現(xiàn)了毫米尺度微弱力的高精度探測(如圖1左)。該系統(tǒng)核心為懸浮于磁阱中磁懸浮力探測器，其上方放置了一片藍寶石晶體作為感受新奇相互作用的探測質(zhì)量。并且，研究團隊創(chuàng)新設(shè)計了由永磁體、鐵層和μ金屬層構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)自旋源，通過周期性改變電子自旋分布產(chǎn)生預(yù)期的新奇相互作用信號。實驗采用雙測量模式(“信號開-關(guān)”對比)，結(jié)合磁屏蔽、振動隔離和靜電屏蔽技術(shù)，將背景噪聲抑制至熱力學(xué)極限。最終在30,000秒的連續(xù)觀測中未檢測到顯著信號，從而對耦合常數(shù)gAegVN給出了新的實驗約束界限(如圖1右)。該約束覆蓋了0.15-1.5毫米的作用范圍，填補了該尺度參數(shù)空間的長期空白。其中，在λ=0.5毫米處，該實驗確立了耦合常數(shù)gAegVN< 4.39 * 10-26，較此前最優(yōu)結(jié)果提升了超過3個量級。
該研究不僅為新奇相互作用的實驗探測提供了新思路，還展示了磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在精密力測量領(lǐng)域的巨大潛力。研究團隊指出，未來通過低溫冷卻(至3K)、降低渦流損耗、增加傳感器質(zhì)量等手段，有望進一步將耦合常數(shù)的檢測精度提升至 10-28 量級。此外，該平臺可拓展至其他自旋相關(guān)相互作用的探測，如電子間新奇自旋-自旋相互作用，為超越標準模型的新物理探索開辟了新的路徑。
相關(guān)研究成果以“Constraints on Velocity and Spin Dependent Exotic Interaction at the Millimeter Scale with a Diamagnetic-Levitated Force Sensor”為題，于3月18日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)，為超輕玻色子介導(dǎo)的新相互作用研究提供了新的實驗路徑。南京大學(xué)物理學(xué)院的碩士研究生田柯楠、碩士研究生盛元紀、博士后李睿、博士研究生汪磊為該論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省科學(xué)技術(shù)廳的支持。
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