近日，中科大杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并實(shí)現(xiàn)了用于搜尋類軸子的單電子自旋量子傳感器，將搜尋的力程拓展到亞微米尺度，可更好地尋找標(biāo)準(zhǔn)模型外的新粒子。該成果發(fā)表在著名期刊《自然·通訊》上。

在尋找新粒子諸多解決方案中，一類簡單有效的理論假設(shè)是引入一類超輕質(zhì)量的軸子或類軸子粒子，人們猜測這類新粒子或許在電子與核子的相互作用中扮演著新的傳遞媒介。近年來，科學(xué)家發(fā)展了一系列精巧的實(shí)驗(yàn)裝置，在20微米以上的力程范圍內(nèi)開展了電子與核子相互作用的搜尋。然而，在更短的力程范圍內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)研究，面臨尺寸不夠小、靈敏度待提升等一系列挑戰(zhàn)。

杜江峰團(tuán)隊(duì)將金剛石近表面氮—空位（NV）色心的電子自旋用作傳感器，來搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。團(tuán)隊(duì)制備了離金剛石表面10納米以內(nèi)的NV色心作為探測器，開發(fā)了相應(yīng)的電子學(xué)設(shè)備和量子控制方法，一舉解決了上述制約短力程探索的系列難題。實(shí)驗(yàn)表明，新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米。這一新方法為利用單自旋量子傳感器來研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供了可能性，有望推動宇宙學(xué)、天體物理和高能物理等多個基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。