中国科大在《物理进展报告》上发表新自旋相互作用的量子精密测量综述论文

来源：中国科学技术大学时间：2025-01-31 20:36:30

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华、江敏及其同事，与丹麦波尔研究所陈一帆等，应邀在国际物理学知名综述期刊《物理进展报告》（Reports on Progress in Physics）上发表题为“基于自旋传感器的新自旋相互作用研究”（Searches for exotic spin-dependent interactions with spin sensors）的长篇综述论文[Rep. Prog. Phys. 88 016401 (2025)]。该论文系统阐述了不同自旋体系的前沿量子精密测量技术，并详细阐述了此类量子技术在搜寻超越标准模型的自旋相互作用方面的研究进展和未来发展方向。

粒子物理学的标准模型能够成功解释原子与亚原子粒子的行为，取得了显著成就。然而，它仍然无法解决一些谜团，例如暗物质的本质和强电荷-宇称（CP）问题。通过引入一种称为QCD（量子色动力学）轴子的赝标量新粒子，为这些难题提供了一种可能的解决方案。除了QCD轴子外，包含额外维度的基本理论（如弦理论）还预测了各种超轻玻色子的存在。这些包括赝标量（如轴子和类轴子）和自旋为1的粒子（如暗光子）。由于QCD轴子或类轴子具有赝标量特性，它们与标准模型费米子之间的典型相互作用通过费米子的自旋算符表现出来，或者它们可以传递标准模型费米子之间的第五种力，从而产生自旋相关的新相互作用（简称新自旋相互作用）。标准模型中的另一个问题是现存于当今宇宙中的重子数不平衡之谜，解决这一问题需要超出标准模型预测的CP破坏作用，这与基本费米子的永久电偶极矩（EDM）联系起来。因此，对有限静态EDM的研究可能有助于揭示宇宙中物质的起源。由于自旋的矢量性质，还可以测试基本对称性，如电荷-宇称-时间（CPT）对称性和洛伦兹对称性。然而，迄今为止，尚未有确凿证据表明这些新的相互作用确实存在，核心难题在于这些相互作用极其微弱，因此，急需发展超高灵敏的自旋探测技术。量子精密测量技术利用相干、关联和纠缠等特性，可以实现对微弱能级的超高灵敏测量，为搜寻新自旋相互作用提供了变革性的手段。核心探测原理依赖于这些新的自旋相互作用可以引起自旋的微小能量移动，可以通过实验室中的自旋量子传感器来进行探测。为此，国际上数十个研究组已研发诸多自旋量子传感技术，为上述新相互作用的研究提供了极为严格的约束界限。

中国科学院微观磁共振重点实验室聚焦自旋量子调控领域，近年来发展了固态自旋、气态自旋等多种自旋体系的量子操控和精密测量技术，并推进其在新自旋相互作用搜寻等前沿领域的交叉应用，承担了基金委基础科学中心《超越标准模型的新物理研究》等研究项目。该室彭新华教授研究团队在这一领域取得了系统性的创新研究成果，包括自主研发了基于气态自旋的超灵敏原子磁力计，并且利用该技术实现了无需磁场的新型核磁共振技术——“零磁场核磁共振”[Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018); Adv. Quant. Technol. 3, 2000078 (2020);Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，达到了国际领先水平的磁场探测灵敏度。进一步实现了新型的自旋微波激射器，在低频段创造了国际最佳的磁探测灵敏度[Sci. Adv. 7, eabe0719 (2021)],并开发了新型磁场噪声抑制技术[PRL 133, 023202 (2024)]、量子协同技术[PRL 133, 133202 (2024)]以及暗态核自旋放大技术[PNAS121, e2315696121 (2024)]等。同时，研究组将已发展的平台型量子精密测量技术用于寻找超越标准模型的新粒子，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果，包括利用新型量子自旋放大器搜寻暗物质候选粒子，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限[Nat. Phys. 17, 1402 (2021)]，以及实现了对一类超越标准模型的新相互作用的超灵敏检验，实验界限比先前的国际最好水平提升至少2个数量级[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]，并在轴子窗口内开展了轴子暗物质的实验搜寻[PRL 129, 051801(2022); PRL 133, 191801 (2024)]。

此次受邀撰写的《物理进展报告》综述论文长达32页，江敏教授、苏昊文博士后、陈一帆博士后为共同第一作者，彭新华教授为通讯作者。文章系统介绍了超越标准模型的新自旋相互作用理论，随后详细介绍了自旋传感器的工作原理和灵敏度极限，接着详细回顾了利用自旋传感器探测暗物质、电偶极矩、第五力、重力-自旋耦合的基本实验原理和实验进展，最后展望了基于自旋传感器的新自旋相互作用研究的未来发展趋势和应用方向，为未来有志于从事该方向研究的青年人员提供参考。

《物理进展报告》是国际物理学界知名综述性期刊，每年仅发表约75篇学术论文。该期刊一般不接受自由投稿，主要是邀请在各领域卓有建树的物理学家执笔，旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。论文需经过国际同行的匿名评审方可发表。此论文是我国新自旋相互作用科学领域在该期刊发表的第一篇综述论文，标志着我国在自旋量子精密测量及新自旋相互作用研究领域处于国际领先地位。