量子与物理的碰撞 中国科大在新奇自旋相互作用研究中取得重要进展

研究团队通过石英音叉带动质量源在垂直金刚石表面的方向做简谐运动，并精心设计实验序列将所要探索的新相互作用转化成单自旋量子传感器的量子相位信息。该实验对一类速度相关的新自旋相互作用在微米尺度给出了新的实验限定，其中在200微米处的限定比以往基于铯、镱、铊原子光谱的实验结果严格4个数量级。

图：红线是此次实验对新奇自旋相互作用耦合常数gAegAe作出的实验限定

据了解，一开始的新奇自旋相互作用研究在1984年，科学家提出了一种标准模型以外的新奇自旋相互作用，这种相互作用可以由标准模型以外的新玻色子诱导，譬如轴子、类轴子、暗光子，Z'玻色子等。这些新的玻色子有着不同的理论背景，此后一系列精密的科学实验被用于探索这些新奇自旋相互作用。

中国科大杜江峰团队早在几年前便开始新奇自旋相互作用研究：2018年2月，在国际上首次提出利用金刚石中氮-空位缺陷作为单自旋传感器来搜寻新奇自旋相互作用；同年8月，研究团队基于该单自旋传感器搜寻极化自旋之间的新奇相互作用，给出了微米尺度最优实验限定。

以上工作均以静态的新奇自旋相互作用为研究对象，充分展示了金刚石氮-空位缺陷单自旋量子传感器在微纳尺度对新物理的探索能力。

该成果以“Experimental Constraints on an Exotic Parity-Odd Spin- and Velocity-Dependent Interaction with a Single Electron Spin Quantum Sensor”为题于6月29日在物理评论快报上发表。审稿人评价称，这篇文章展示了量子测量技术与基础物理检验的联姻，对广大物理学家极具吸引力。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生焦曼和郭茂森为该文共同第一作者，天文系蔡一夫教授为理论合作者，杜江峰院士和荣星特任教授为该文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。