图 基于固态自旋传感器搜寻新相互作用的实验装置和实验结果

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2388102）等资助下，杜江峰院士、荣星教授、焦曼研究员及其合作者在新奇自旋相互作用实验检验方面取得进展。相关成果以“基于固态自旋量子传感器对自旋之间速度相关新相互作用的新约束（New Constraints on Exotic Spin-Spin-Velocity-Dependent Interactions with Solid-State Quantum Sensors）”为题，于2024年4月30日发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.），论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.180801。

　　研究超越标准模型的新物理是基础物理的重要研究课题，其中对新玻色子如轴子、类轴子、Z'玻色子等的研究可能是我们理解宇宙更深层次的关键。理论学家提出这些新玻色子可以作为传播子，传递标准模型粒子之间的新相互作用，譬如可以诱导出自旋与自旋之间速度相关的新相互作用。由于开展此类新相互作用搜寻需要同时实现自旋量子态相干调控、高精度磁探测以及空间位置精密调制，目前国际上对自旋与自旋之间速度相关的新相互作用的实验研究比较欠缺，特别是在力程相对较小的范围内几乎没有实验检验。

　　研究团队自2018年以来针对小力程范围的新相互作用，开展了一系列实验搜寻。在最新的研究成果中，研究团队精心设计了基于两块金刚石电子自旋系综的新相互作用实验搜寻装置。通过化学气相沉积法在两块金刚石表面制备了高品质的氮-空位(NV)系综。其中一块NV系综中的电子自旋作为自旋传感器，而另一块则作为自旋源。通过相干操控两块金刚石NV系综的自旋量子态及其相对速度，在微米尺度搜寻了电子自旋之间速度相关的新相互作用。研究团队首先精准测定自旋传感器与自旋源之间的磁偶极相互作用，然后通过压电片调制自旋源振动，实验上构造速度相关的新相互作用，并进行锁相探测和相位正交分析来测量速度相关的新相互作用。经过详细的误差分析，对两种速度相关新相互作用分别在小于1厘米和小于1千米的力程范围给出了新的约束结果。该研究成果为超越标准模型新物理研究打开新的探测窗口。