中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華、江敏及其同事，與丹麥波爾研究所陳一帆等，應(yīng)邀在國際物理學(xué)知名綜述期刊《物理進(jìn)展報告》（Reports on Progress in Physics）上發(fā)表題為“基于自旋傳感器的新自旋相互作用研究”（Searches for exotic spin-dependent interactions with spin sensors）的長篇綜述論文[Rep. Prog. Phys. 88 016401 (2025)]。該論文系統(tǒng)闡述了不同自旋體系的前沿量子精密測量技術(shù)，并詳細(xì)闡述了此類量子技術(shù)在搜尋超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋相互作用方面的研究進(jìn)展和未來發(fā)展方向。
粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型能夠成功解釋原子與亞原子粒子的行為，取得了顯著成就。然而，它仍然無法解決一些謎團(tuán)，例如暗物質(zhì)的本質(zhì)和強電荷-宇稱（CP）問題。通過引入一種稱為QCD（量子色動力學(xué)）軸子的贗標(biāo)量新粒子，為這些難題提供了一種可能的解決方案。除了QCD軸子外，包含額外維度的基本理論（如弦理論）還預(yù)測了各種超輕玻色子的存在。這些包括贗標(biāo)量（如軸子和類軸子）和自旋為1的粒子（如暗光子）。由于QCD軸子或類軸子具有贗標(biāo)量特性，它們與標(biāo)準(zhǔn)模型費米子之間的典型相互作用通過費米子的自旋算符表現(xiàn)出來，或者它們可以傳遞標(biāo)準(zhǔn)模型費米子之間的第五種力，從而產(chǎn)生自旋相關(guān)的新相互作用（簡稱新自旋相互作用）。標(biāo)準(zhǔn)模型中的另一個問題是現(xiàn)存于當(dāng)今宇宙中的重子數(shù)不平衡之謎，解決這一問題需要超出標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的CP破壞作用，這與基本費米子的永久電偶極矩（EDM）聯(lián)系起來。因此，對有限靜態(tài)EDM的研究可能有助于揭示宇宙中物質(zhì)的起源。由于自旋的矢量性質(zhì)，還可以測試基本對稱性，如電荷-宇稱-時間（CPT）對稱性和洛倫茲對稱性。然而，迄今為止，尚未有確鑿證據(jù)表明這些新的相互作用確實存在，核心難題在于這些相互作用極其微弱，因此，急需發(fā)展超高靈敏的自旋探測技術(shù)。量子精密測量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實現(xiàn)對微弱能級的超高靈敏測量，為搜尋新自旋相互作用提供了變革性的手段。核心探測原理依賴于這些新的自旋相互作用可以引起自旋的微小能量移動，可以通過實驗室中的自旋量子傳感器來進(jìn)行探測。為此，國際上數(shù)十個研究組已研發(fā)諸多自旋量子傳感技術(shù)，為上述新相互作用的研究提供了極為嚴(yán)格的約束界限。
中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室聚焦自旋量子調(diào)控領(lǐng)域，近年來發(fā)展了固態(tài)自旋、氣態(tài)自旋等多種自旋體系的量子操控和精密測量技術(shù)，并推進(jìn)其在新自旋相互作用搜尋等前沿領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，承擔(dān)了基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心《超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理研究》等研究項目。該室彭新華教授研究團(tuán)隊在這一領(lǐng)域取得了系統(tǒng)性的創(chuàng)新研究成果，包括自主研發(fā)了基于氣態(tài)自旋的超靈敏原子磁力計，并且利用該技術(shù)實現(xiàn)了無需磁場的新型核磁共振技術(shù)——“零磁場核磁共振”[Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018); Adv. Quant. Technol. 3, 2000078 (2020);Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平的磁場探測靈敏度。進(jìn)一步實現(xiàn)了新型的自旋微波激射器，在低頻段創(chuàng)造了國際最佳的磁探測靈敏度[Sci. Adv. 7, eabe0719 (2021)],并開發(fā)了新型磁場噪聲抑制技術(shù)[PRL 133, 023202 (2024)]、量子協(xié)同技術(shù)[PRL 133, 133202 (2024)]以及暗態(tài)核自旋放大技術(shù)[PNAS121, e2315696121 (2024)]等。同時，研究組將已發(fā)展的平臺型量子精密測量技術(shù)用于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，取得了一系列對推動學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展有實質(zhì)性貢獻(xiàn)的研究成果，包括利用新型量子自旋放大器搜尋暗物質(zhì)候選粒子，首次突破國際公認(rèn)最強的宇宙天文學(xué)界限[Nat. Phys. 17, 1402 (2021)]，以及實現(xiàn)了對一類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用的超靈敏檢驗，實驗界限比先前的國際最好水平提升至少2個數(shù)量級[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]，并在軸子窗口內(nèi)開展了軸子暗物質(zhì)的實驗搜尋[PRL 129, 051801(2022); PRL 133, 191801 (2024)]。
此次受邀撰寫的《物理進(jìn)展報告》綜述論文長達(dá)32頁，江敏教授、蘇昊文博士后、陳一帆博士后為共同第一作者，彭新華教授為通訊作者。文章系統(tǒng)介紹了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新自旋相互作用理論，隨后詳細(xì)介紹了自旋傳感器的工作原理和靈敏度極限，接著詳細(xì)回顧了利用自旋傳感器探測暗物質(zhì)、電偶極矩、第五力、重力-自旋耦合的基本實驗原理和實驗進(jìn)展，最后展望了基于自旋傳感器的新自旋相互作用研究的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)用方向，為未來有志于從事該方向研究的青年人員提供參考。
《物理進(jìn)展報告》是國際物理學(xué)界知名綜述性期刊，每年僅發(fā)表約75篇學(xué)術(shù)論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領(lǐng)域卓有建樹的物理學(xué)家執(zhí)筆，旨在對當(dāng)今物理研究的重大熱點問題做歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測。論文需經(jīng)過國際同行的匿名評審方可發(fā)表。此論文是我國新自旋相互作用科學(xué)領(lǐng)域在該期刊發(fā)表的第一篇綜述論文，標(biāo)志著我國在自旋量子精密測量及新自旋相互作用研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。
相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院等長期支持。
