中德科学家合作研究出一种用于搜寻暗物质的超灵敏量子精密测量技术

中国科学技术大学彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术，用于暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级。相关成果2021年11月18日在线发表于国际期刊《自然·物理学》。

在宇宙物质质量组成中暗物质约占85%，然而，迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术，实现了新型核自旋磁传感器。该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。基于该物理机制，研究人员设计出磁场量子放大器，并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

理论预测，暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的“赝磁场”，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度。相比传统大型暗物质科学装置，该设备只需要桌面尺寸的空间布局。

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，有望推动宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础学科的发展。……