我室杜江峰院士團隊利用金剛石中氮-空位色心作為固態(tài)自旋量子傳感器，在微觀尺度對于一系列新奇自旋相互作用展開實驗搜尋并給出新的實驗限定。相關研究成果分別發(fā)表在《國家科學評論》[National Science Review 10, nwac262(2023)]、《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 131,071801(2023)]和《美國國家科學院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。

探索超越標準模型的新物理現(xiàn)象能夠有助于解答一些不能用標準模型解釋的基本問題，例如強CP疑難以及暗物質與暗能量的物理本質。近年來對一些新玻色子誘導的新奇自旋相互作用進行實驗搜尋成為研究重點。2018年團隊在國際上原創(chuàng)提出將金剛石氮-空位(NV)色心的單電子自旋構筑為量子傳感器，可用于搜尋電子與核之間的新奇自旋相互作用，并成功將實驗搜尋的力程拓展到亞微米尺度[Nature Communications 9,739(2018)]。隨后對一系列自旋相互作用在微觀尺度實現(xiàn)了高精度的實驗搜尋[PhysicalReviewLetters121, 80402(2018), Physical Review Letters 127,010501(2021)]。為了進一步提升搜尋能力，團隊向兩個方向推進：1、發(fā)展更高靈敏度的傳感器，用于實現(xiàn)更高精度的實驗檢驗；2、發(fā)展新形態(tài)的傳感器，打開更短力程的探測窗口。

為了實現(xiàn)更高靈敏度的傳感器，團隊實現(xiàn)高品質金剛石NV系綜電子自旋生長工藝，將單自旋探測器升級為系綜自旋傳感器，使得更多NV色心能夠被同時用于測量，極大提升了探測精度，從而實現(xiàn)對一系列新奇自旋相互作用的實驗搜尋[National Science Review10,nwac262(2023),Phys. Rev. Lett. 131,071801(2023)]。另一方面，團隊充分利用單NV色心作為原子尺度傳感器的優(yōu)勢，結合微機電技術和硅基納米工藝，實現(xiàn)可擴展的自旋-力學量子芯片。實驗表明該芯片在力程小于100納米處將觀測約束提升2個數量級[PNAS120, e2302145120 (2023)]。這些成果展示了利用金剛石NV色心自旋量子傳感器來研究各種超出標準模型的新物理有獨特優(yōu)勢，有望激發(fā)宇宙學、天體物理和高能物理等多個基礎科學的廣泛興趣。

上述工作得到了中國科學院、科技部、安徽省和國家自然科學基金委等資助。

論文信息（†為共同一作，*為共同通訊作者）：

1.    HangLiang†,ManJiao†,YueHuang†,PeiYu,XiangyuYe,YaWang,YijinXie,Yi-FuCai,XingRong*,andJiangfengDu*,NationalScienceReview10,nwac262(2023).

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac262

2.    DiguangWu†,HangLiang†,ManJiao*,Yi-FuCai,Chang-KuiDuan,YaWang,XingRong*,andJiangfengDu*,Phys.Rev.Lett.131,071801(2023).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.071801

3.    LonghaoWu†,ShaochunLin†,XiKong,MengqiWang,JingweiZhou,Chang-KuiDuan,PuHuang,LiangZhang*andJiangfengDu*,Proc.Natl.Acad.Sci.120, e2302145120(2023)

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302145120