【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室彭新華教授、江敏教授及其合作者，系統(tǒng)發(fā)展了核自旋量子精密測量技術(shù)并實現(xiàn)原理性突破，構(gòu)建了基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)，在實驗上突破了對拓撲缺陷軸子暗物質(zhì)約束的天體物理觀測極限。相關(guān)研究成果以“Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors”為題于1月28日在線發(fā)表在《自然》雜志上。
“宇宙由何組成？”是Science列出的125個科學(xué)問題之一。當(dāng)前研究表明，在宇宙的物質(zhì)構(gòu)成中，普通可見物質(zhì)僅占約4.9%，而暗物質(zhì)則占據(jù)約26.8%的比例。然而，暗物質(zhì)的微觀本質(zhì)仍然是現(xiàn)代物理學(xué)的一大謎團。軸子是當(dāng)前理論動機最強的暗物質(zhì)候選粒子之一，其構(gòu)成的場在宇宙早期相變中可能產(chǎn)生拓撲缺陷(topological defect)——這是一種類似宇宙弦或疇壁的、具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的宏觀“褶皺”。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)穿越地球時，會與地面上部署探測器中的原子核自旋發(fā)生相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)信號。然而，由于信號極其微弱且持續(xù)時間短，這對探測技術(shù)提出了極高要求。
研究團隊創(chuàng)新性地發(fā)展了核自旋量子精密測量技術(shù)，原理性突破了惰性氣體原子(129Xe)核自旋對瞬時信號的響應(yīng)探測難題，將微秒級別的暗物質(zhì)拓撲缺陷結(jié)構(gòu)信號“存儲”到接近分鐘級別的核自旋相干態(tài)中，同時結(jié)合自主提出的核自旋量子放大技術(shù)，將微弱信號放大了至少100倍，自旋旋轉(zhuǎn)探測靈敏度達到約1微弧度，相比之前實驗室探測技術(shù)，其靈敏度提高約4個量級。
圖A：宇宙構(gòu)成成分圖；
圖B：基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋。拓撲缺陷軸子暗物質(zhì)在宇宙中會形成能量高度集中的致密結(jié)構(gòu)，猶如一堵“暗物質(zhì)墻”。當(dāng)?shù)厍蛟阢y河系中以約10-3光速運動并穿越這類結(jié)構(gòu)時，部署的城際量子傳感器網(wǎng)絡(luò)便能對其進行探測。
為進一步提升探測靈敏度、抑制局部噪聲并排除單站式探測盲區(qū)，團隊建成了基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由分布于合肥-杭州的五臺自主研發(fā)的核自旋量子傳感器組成，利用衛(wèi)星同步實現(xiàn)跨度為320公里的分布式量子傳感，構(gòu)成了一個超靈敏的暗物質(zhì)信號鑒別系統(tǒng)。長基線使得真實暗物質(zhì)事件在不同節(jié)點間會產(chǎn)生可分辨的信號延遲與相位差，結(jié)合多節(jié)點數(shù)據(jù)的三維擬合，能有效抑制局部干擾，成功將誤報率降低約三個數(shù)量級。相較于國際上已有的基于堿金屬傳感器的GNOME探測計劃，該新型核自旋探測網(wǎng)絡(luò)的能量分辨率提升了約4個量級，為拓撲缺陷暗物質(zhì)提供了更強大的探測工具。
通過連續(xù)2個月的觀測與量子傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，研究團隊未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計顯著的拓撲缺陷穿越事件。基于此“無信號”結(jié)果，團隊在軸子質(zhì)量10 peV至0.2 μeV的寬廣范圍內(nèi)，給出了迄今最嚴格的軸子-中子耦合實驗室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限達4.1×1010GeV，比超新星SN1987A的天體物理限制高出40倍，在該質(zhì)量區(qū)間實現(xiàn)了實驗室探測對天文觀測的超越，為探索天文觀測以外的物理參數(shù)空間提供了手段。
此項研究不僅為拓撲缺陷暗物質(zhì)探測提供全新途徑，其發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)化探測架構(gòu)與信號處理方法，也為搜尋軸子星、軸子弦等更多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的瞬態(tài)新現(xiàn)象開辟了新方向。此類傳感器網(wǎng)絡(luò)可與引力波天文臺等設(shè)施協(xié)同，構(gòu)成多信使觀測網(wǎng)絡(luò)，捕捉雙黑洞并合等極端天體事件可能釋放的軸子輻射，開啟探索暗物質(zhì)與宇宙極端事件關(guān)聯(lián)的新窗口。團隊計劃通過全球組網(wǎng)、空間部署【Natl. Sci. Rev. 12, nwaf389 (2025)】及發(fā)展新一代的惰性氣體核自旋量子傳感技術(shù)，將探測靈敏度再提升10?倍，邁向更深遠的物理前沿。
審稿人對此項工作給予了高度評價：“這項工作為探索粒子物理和天體物理領(lǐng)域的熱點課題提供了一個及時而強大的工具，將在相關(guān)領(lǐng)域激發(fā)新的研究浪潮。”
本研究是該研究團隊在量子精密測量與暗物質(zhì)探測的交叉科學(xué)前沿取得的最新突破。團隊長期系統(tǒng)開展了基于原子核自旋體系探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理研究，先后提出和實現(xiàn)了多種原創(chuàng)性方法，如發(fā)展了核自旋放大與法諾共振噪聲抑制等量子精密測量等方法【Nat. Phys. 20, 1966 (2024), Nat. Phys. 17, 1402 (2021), PNAS 121, e2315696121 (2024), PNAS 122, e2419683122 (2025)】，并將其應(yīng)用于超輕暗物質(zhì)【PRL 129, 051801 (2022), PRL 133, 133202 (2024), PRL 134, 223201 (2025), Nat. Commun. 15, 3331 (2024)】與新奇相互作用的搜索【Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)】。本項研究在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了從單站式測量到多站點協(xié)同探測的跨越，通過構(gòu)建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)性地開展了對瞬態(tài)暗物質(zhì)的實驗搜尋。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室博士后王元泓為論文第一作者，江敏和彭新華為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院、深空探測實驗室等多個項目的支持。
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