量子精密测量为暗物质搜索提供了新的方法

22日，记者从中国科学技术大学获悉，该校彭新华教授研究团队与德国科学家合作，开发了一种新型超灵敏量子精密测量技术，用于暗物质的直接实验搜索。实验结果较此前国际最佳水平至少提高了5个数量级，首次突破国际公认的最强宇宙天文学边界。相关结果日前在《自然物理学》网上公布。

宇宙中绝大多数物质是暗物质，约占85%，而我们熟悉的普通物质只占15%左右。为了寻找这些神秘的暗物质粒子，许多国家都制定了一系列国家级甚至世界级的暗物质探测实验计划，但迄今为止，还没有发现暗物质存在的直接证据。

彭新华课题组利用气态氙和铷原子的混合蒸气室，发明了一种新型超高灵敏度核自旋量子测量技术，实现了世界上灵敏度最高的核自旋磁传感器。这项工作报道了一种新的自旋放大效应，其放大机制与以前的机制完全不同。该技术先用激光极化铷原子的蒸气，再用铷原子与气态氙原子的自旋交换碰撞极化氙原子的核自旋。与传统的热偏振法相比，新技术利用光偏振法获得的自旋偏振度接近0.3，远超传统方法。传统方法采用氙原子的外部探测，而新技术通过铷原子与氙原子之间的随机自旋交换碰撞，可以高灵敏度地读取氙原子的信号，大大简化了器件的尺寸和复杂度。基于这种物理机制，研究人员设计了一种磁场量子放大器，并将这种自旋放大器与我们团队研制的原子磁力仪相结合，将原子磁力仪的磁探测灵敏度提高了100倍。

大量理论预测暗物质与原子核之间会有非常微弱的相互作用，相当于在原子核自旋上施加一个微小的磁场——“伪磁场”。超灵敏磁场探测器可以用来测试这个微小的伪磁场，从而寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华的研究团队利用自旋放大器放大暗物质产生的“伪磁场”，大大提高了暗物质的搜索灵敏度。与传统的大规模暗物质科学装置相比，该装置只需要桌面大小的空间布局。

这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望激发人们对宇宙天文学、粒子物理、原子分子物理等诸多基础科学的广泛兴趣。