【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏教授及其合作者，系統(tǒng)發(fā)展了核自旋量子精密測(cè)量技術(shù)并實(shí)現(xiàn)原理性突破，構(gòu)建了基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)驗(yàn)上突破了對(duì)拓?fù)淙毕葺S子暗物質(zhì)約束的天體物理觀測(cè)極限。相關(guān)研究成果以“Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors”為題于1月28日在線發(fā)表在《自然》雜志上。
“宇宙由何組成？”是Science列出的125個(gè)科學(xué)問題之一。當(dāng)前研究表明，在宇宙的物質(zhì)構(gòu)成中，普通可見物質(zhì)僅占約4.9%，而暗物質(zhì)則占據(jù)約26.8%的比例。然而，暗物質(zhì)的微觀本質(zhì)仍然是現(xiàn)代物理學(xué)的一大謎團(tuán)。軸子是當(dāng)前理論動(dòng)機(jī)最強(qiáng)的暗物質(zhì)候選粒子之一，其構(gòu)成的場(chǎng)在宇宙早期相變中可能產(chǎn)生拓?fù)淙毕?topological defect)——這是一種類似宇宙弦或疇壁的、具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的宏觀“褶皺”。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)穿越地球時(shí)，會(huì)與地面上部署探測(cè)器中的原子核自旋發(fā)生相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)信號(hào)。然而，由于信號(hào)極其微弱且持續(xù)時(shí)間短，這對(duì)探測(cè)技術(shù)提出了極高要求。
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地發(fā)展了核自旋量子精密測(cè)量技術(shù)，原理性突破了惰性氣體原子(129Xe)核自旋對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的響應(yīng)探測(cè)難題，將微秒級(jí)別的暗物質(zhì)拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)信號(hào)“存儲(chǔ)”到接近分鐘級(jí)別的核自旋相干態(tài)中，同時(shí)結(jié)合自主提出的核自旋量子放大技術(shù)，將微弱信號(hào)放大了至少100倍，自旋旋轉(zhuǎn)探測(cè)靈敏度達(dá)到約1微弧度，相比之前實(shí)驗(yàn)室探測(cè)技術(shù)，其靈敏度提高約4個(gè)量級(jí)。
圖A：宇宙構(gòu)成成分圖；
圖B：基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋。拓?fù)淙毕葺S子暗物質(zhì)在宇宙中會(huì)形成能量高度集中的致密結(jié)構(gòu)，猶如一堵“暗物質(zhì)墻”。當(dāng)?shù)厍蛟阢y河系中以約10-3光速運(yùn)動(dòng)并穿越這類結(jié)構(gòu)時(shí)，部署的城際量子傳感器網(wǎng)絡(luò)便能對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。
為進(jìn)一步提升探測(cè)靈敏度、抑制局部噪聲并排除單站式探測(cè)盲區(qū)，團(tuán)隊(duì)建成了基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由分布于合肥-杭州的五臺(tái)自主研發(fā)的核自旋量子傳感器組成，利用衛(wèi)星同步實(shí)現(xiàn)跨度為320公里的分布式量子傳感，構(gòu)成了一個(gè)超靈敏的暗物質(zhì)信號(hào)鑒別系統(tǒng)。長(zhǎng)基線使得真實(shí)暗物質(zhì)事件在不同節(jié)點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生可分辨的信號(hào)延遲與相位差，結(jié)合多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的三維擬合，能有效抑制局部干擾，成功將誤報(bào)率降低約三個(gè)數(shù)量級(jí)。相較于國際上已有的基于堿金屬傳感器的GNOME探測(cè)計(jì)劃，該新型核自旋探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的能量分辨率提升了約4個(gè)量級(jí)，為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)提供了更強(qiáng)大的探測(cè)工具。
通過連續(xù)2個(gè)月的觀測(cè)與量子傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，研究團(tuán)隊(duì)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的拓?fù)淙毕荽┰绞录；诖?ldquo;無信號(hào)”結(jié)果，團(tuán)隊(duì)在軸子質(zhì)量10 peV至0.2 μeV的寬廣范圍內(nèi)，給出了迄今最嚴(yán)格的軸子-中子耦合實(shí)驗(yàn)室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限達(dá)4.1×1010GeV，比超新星SN1987A的天體物理限制高出40倍，在該質(zhì)量區(qū)間實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室探測(cè)對(duì)天文觀測(cè)的超越，為探索天文觀測(cè)以外的物理參數(shù)空間提供了手段。
此項(xiàng)研究不僅為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)探測(cè)提供全新途徑，其發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)架構(gòu)與信號(hào)處理方法，也為搜尋軸子星、軸子弦等更多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的瞬態(tài)新現(xiàn)象開辟了新方向。此類傳感器網(wǎng)絡(luò)可與引力波天文臺(tái)等設(shè)施協(xié)同，構(gòu)成多信使觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，捕捉雙黑洞并合等極端天體事件可能釋放的軸子輻射，開啟探索暗物質(zhì)與宇宙極端事件關(guān)聯(lián)的新窗口。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過全球組網(wǎng)、空間部署【Natl. Sci. Rev. 12, nwaf389 (2025)】及發(fā)展新一代的惰性氣體核自旋量子傳感技術(shù)，將探測(cè)靈敏度再提升10?倍，邁向更深遠(yuǎn)的物理前沿。
審稿人對(duì)此項(xiàng)工作給予了高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)工作為探索粒子物理和天體物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題提供了一個(gè)及時(shí)而強(qiáng)大的工具，將在相關(guān)領(lǐng)域激發(fā)新的研究浪潮。”
本研究是該研究團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量與暗物質(zhì)探測(cè)的交叉科學(xué)前沿取得的最新突破。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期系統(tǒng)開展了基于原子核自旋體系探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理研究，先后提出和實(shí)現(xiàn)了多種原創(chuàng)性方法，如發(fā)展了核自旋放大與法諾共振噪聲抑制等量子精密測(cè)量等方法【Nat. Phys. 20, 1966 (2024), Nat. Phys. 17, 1402 (2021), PNAS 121, e2315696121 (2024), PNAS 122, e2419683122 (2025)】，并將其應(yīng)用于超輕暗物質(zhì)【PRL 129, 051801 (2022), PRL 133, 133202 (2024), PRL 134, 223201 (2025), Nat. Commun. 15, 3331 (2024)】與新奇相互作用的搜索【Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)】。本項(xiàng)研究在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了從單站式測(cè)量到多站點(diǎn)協(xié)同探測(cè)的跨越，通過構(gòu)建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)性地開展了對(duì)瞬態(tài)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)搜尋。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室博士后王元泓為論文第一作者，江敏和彭新華為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院、深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
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