近日，中科大杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室提出并實現(xiàn)了用于搜尋類軸子的單電子自旋量子傳感器，將搜尋的力程拓展到亞微米尺度，可更好地尋找標準模型外的新粒子。該成果發(fā)表在著名期刊《自然·通訊》上。
在尋找新粒子諸多解決方案中，一類簡單有效的理論假設是引入一類超輕質量的軸子或類軸子粒子，人們猜測這類新粒子或許在電子與核子的相互作用中扮演著新的傳遞媒介。近年來，科學家發(fā)展了一系列精巧的實驗裝置，在20微米以上的力程范圍內開展了電子與核子相互作用的搜尋。然而，在更短的力程范圍內開展實驗研究，面臨尺寸不夠小、靈敏度待提升等一系列挑戰(zhàn)。
杜江峰團隊將金剛石近表面氮—空位（NV）色心的電子自旋用作傳感器，來搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。團隊制備了離金剛石表面10納米以內的NV色心作為探測器，開發(fā)了相應的電子學設備和量子控制方法，一舉解決了上述制約短力程探索的系列難題。實驗表明，新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米。這一新方法為利用單自旋量子傳感器來研究超出標準模型的新物理提供了可能性，有望推動宇宙學、天體物理和高能物理等多個基礎科學的發(fā)展。
