我室杜江峰院士團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)搜尋并給出新的實(shí)驗(yàn)限定。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《國家科學(xué)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(xué)院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。

探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象能夠有助于解答一些不能用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋的基本問題，例如強(qiáng)CP疑難以及暗物質(zhì)與暗能量的物理本質(zhì)。近年來對一些新玻色子誘導(dǎo)的新奇自旋相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搜尋成為研究重點(diǎn)。2018年團(tuán)隊(duì)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(gòu)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了高精度的實(shí)驗(yàn)搜尋[PhysicalReviewLetters121, 80402(2018), Physical Review Letters 127,010501(2021)]。為了進(jìn)一步提升搜尋能力，團(tuán)隊(duì)向兩個方向推進(jìn)：1、發(fā)展更高靈敏度的傳感器，用于實(shí)現(xiàn)更高精度的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；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(shí)現(xiàn)更高靈敏度的傳感器，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)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(shí)現(xiàn)對一系列新奇自旋相互作用的實(shí)驗(yàn)搜尋[National Science Review10,nwac262(2023),Phys. Rev. Lett. 131,071801(2023)]。另一方面，團(tuán)隊(duì)充分利用單NV色心作為原子尺度傳感器的優(yōu)勢，結(jié)合微機(jī)電技術(shù)和硅基納米工藝，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的自旋-力學(xué)量子芯片。實(shí)驗(yàn)表明該芯片在力程小于100納米處將觀測約束提升2個數(shù)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(biāo)準(zhǔn)模型的新物理有獨(dú)特優(yōu)勢，有望激發(fā)宇宙學(xué)、天體物理和高能物理等多個基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。

上述工作得到了中國科學(xué)院、科技部、安徽省和國家自然科學(xué)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