尋找粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，對物理新探索非常重要。記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校杜江峰院士團(tuán)隊(duì)近期成功研制出用于搜尋“類軸子粒子”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。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了該成果。

新粒子的發(fā)現(xiàn)，可用于填補(bǔ)當(dāng)前粒子物理學(xué)、天體物理和宇宙學(xué)等方面的理論缺陷，例如粒子質(zhì)量等級問題、強(qiáng)CP疑難、正反物質(zhì)不對稱性以及暗物質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)。

近年來，國際學(xué)界發(fā)展了一系列精巧的實(shí)驗(yàn)裝置，在20微米以上的力程范圍內(nèi)開展了電子與核子相互作用的搜尋。但要在更短的力程范圍內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)研究，則面臨一系列挑戰(zhàn)：如何構(gòu)筑一個(gè)尺寸足夠小的傳感器？如何設(shè)計(jì)傳感器的幾何形狀從而允許電子和核子充分接近？如何提升傳感器的靈敏度，從而給出有意義的限定？如何有效隔離好環(huán)境噪聲，尤其是不可避免的電磁噪聲？

近期，杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與中科大天文學(xué)系、國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室科研人員合作，提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的探測方法，即將金剛石近表面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。他們制備了離金剛石表面10納米以內(nèi)的NV色心作為探測器，開發(fā)了相應(yīng)的電子學(xué)設(shè)備和量子控制方法，解決了上述制約短力程探索的系列難題。實(shí)驗(yàn)表明，新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米，為電子—核子相互作用的探索提供了新的觀測約束。

據(jù)介紹，這一新方法也可以推廣到其它自旋相關(guān)的新相互作用的研究，從而為利用單自旋量子傳感器來研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供了可能性，有望激發(fā)宇宙學(xué)、天體物理和高能物理等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。