據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)19日?qǐng)?bào)道，美國(guó)陸軍研究人員稱(chēng)，他們研制出了一款新型量子傳感器，可以幫助士兵探測(cè)整個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻譜——從0到100吉赫茲（GHz）的通信信號(hào)。
美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部下屬陸軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家戴維·邁耶解釋說(shuō)，2018年，陸軍科學(xué)家研制出全球首款使用高激發(fā)態(tài)、超靈敏原子（里德堡原子）探測(cè)通信信號(hào)的量子接收器。在最新研究中，他們根據(jù)基本原理計(jì)算出接收器的信道容量（數(shù)據(jù)傳輸速率），然后在實(shí)驗(yàn)中將其他研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
邁耶說(shuō)：“新傳感器非常小巧，幾乎無(wú)法被其他設(shè)備探測(cè)到，有望讓士兵們?nèi)缁⑻硪怼？茖W(xué)家最近才開(kāi)始考慮將基于里德堡原子的傳感器應(yīng)用于電場(chǎng)傳感領(lǐng)域，包括用作通信接收器。盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學(xué)家迄今從未對(duì)整個(gè)運(yùn)行波段的靈敏度進(jìn)行定量描述。”
為評(píng)估潛在應(yīng)用，陸軍科學(xué)家分析了從0到10的12次方赫茲的巨大頻譜范圍內(nèi)，新款里德堡傳感器對(duì)振蕩電場(chǎng)的靈敏度。結(jié)果表明，里德堡傳感器可靠地探測(cè)到整個(gè)頻譜段的信號(hào)。在傳統(tǒng)接收器系統(tǒng)中，單根天線(xiàn)無(wú)法覆蓋如此寬的頻譜范圍，要做到這一點(diǎn)，可能需要單根天線(xiàn)、放大器和其他組件協(xié)同作戰(zhàn)。而且，新量子傳感器的靈敏度可與其他電場(chǎng)傳感器技術(shù)——如電光晶體和偶極天線(xiàn)耦合的無(wú)源電子設(shè)備等相媲美。
邁耶說(shuō)：“量子力學(xué)使我們能清晰地了解傳感器的校準(zhǔn)和最終性能，而且，每個(gè)傳感器的校準(zhǔn)和性能都相同，有助于士兵們?cè)谝巴馐褂眠@一系統(tǒng)。”
陸軍科學(xué)家計(jì)劃進(jìn)一步錘煉最新技術(shù)，提高這款量子傳感器的靈敏度，使其能探測(cè)到更弱的信號(hào)，并擴(kuò)展用于探測(cè)更復(fù)雜波形的協(xié)議。（科技日?qǐng)?bào) 記者劉霞）
中國(guó)科大利用單自旋量子傳感器對(duì)新奇自旋相互作用做出新實(shí)驗(yàn)限定
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用單自旋量子傳感器，對(duì)超越標(biāo)準(zhǔn)模型自旋為1的軸矢量玻色子在微米尺度給出新的實(shí)驗(yàn)限定，該結(jié)果相比針對(duì)這種相互作用的原有國(guó)際最好水平在力程500微米處提升50倍左右。該成果以Constraints on a Spin-Dependent Exotic Interaction between Electrons with Single Electron Spin Quantum Sensors為題，發(fā)表在8月22日的《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys.Rev.Lett.121，080402(2018)]上。
諾貝爾獎(jiǎng)得主Wilczek在1984年提出軸子或類(lèi)軸子可能誘導(dǎo)新奇自旋相互作用，因此提出在實(shí)驗(yàn)室搜尋這種宏觀尺度相互作用的可能。2006年Dobrescu和Mocioiu將這種新奇自旋相互作用擴(kuò)展到傳播子為一般玻色子的情形，列舉出16種新奇自旋相互作用的形式。近年來(lái)，有很多物理實(shí)驗(yàn)對(duì)這16種新奇自旋相互作用展開(kāi)研究并給出實(shí)驗(yàn)限定。杜江峰團(tuán)隊(duì)2018年初在國(guó)際上首次提出可以將金剛石氮-空位色心（NV色心）單電子自旋量子傳感器用于搜尋電子與核之間的新奇自旋相互作用，并將實(shí)驗(yàn)搜尋的力程拓展到亞微米尺度[Nature Communications 9，739(2018)]。
在該工作中，杜江峰團(tuán)隊(duì)利用NV色心單電子自旋量子傳感器，對(duì)自旋為1的軸矢量玻色子誘導(dǎo)的極化電子之間的相互作用展開(kāi)研究。研究人員首先發(fā)展了基于NV色心的極化電子自旋信號(hào)測(cè)量技術(shù)[Phys.Rev.Applied 9，064003(2018)]，成功探測(cè)到激光極化后的并五苯樣品產(chǎn)生的極化電子自旋信號(hào)。然后利用不同深度的NV色心測(cè)量極化電子自旋信號(hào)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型以?xún)?nèi)的磁偶極相互作用比較分析。研究人員在其有效力程范圍未發(fā)現(xiàn)新粒子存在的證據(jù)，這為極化的電子-電子相互作用的探索提供了新的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)約束。
中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員榮星是文章的第一作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部和安徽省的資助。（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
我國(guó)學(xué)者成功研制用于搜尋新粒子的單自旋量子傳感器
尋找粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，對(duì)物理新探索非常重要。記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校杜江峰院士團(tuán)隊(duì)近期成功研制出用于搜尋“類(lèi)軸子粒子”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。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了該成果。
新粒子的發(fā)現(xiàn)，可用于填補(bǔ)當(dāng)前粒子物理學(xué)、天體物理和宇宙學(xué)等方面的理論缺陷，例如粒子質(zhì)量等級(jí)問(wèn)題、強(qiáng)CP疑難、正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性以及暗物質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)。
近年來(lái)，國(guó)際學(xué)界發(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(kāi)展了電子與核子相互作用的搜尋。但要在更短的力程范圍內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，則面臨一系列挑戰(zhàn)：如何構(gòu)筑一個(gè)尺寸足夠小的傳感器？如何設(shè)計(jì)傳感器的幾何形狀從而允許電子和核子充分接近？如何提升傳感器的靈敏度，從而給出有意義的限定？如何有效隔離好環(huán)境噪聲，尤其是不可避免的電磁噪聲？
近期，杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與中科大天文學(xué)系、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室科研人員合作，提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的探測(cè)方法，即將金剛石近表面NV色心的電子自旋，用作傳感器來(lái)搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。他們制備了離金剛石表面10納米以?xún)?nèi)的NV色心作為探測(cè)器，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的電子學(xué)設(shè)備和量子控制方法，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，為電子—核子相互作用的探索提供了新的觀測(cè)約束。
據(jù)介紹，這一新方法也可以推廣到其它自旋相關(guān)的新相互作用的研究，從而為利用單自旋量子傳感器來(lái)研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供了可能性，有望激發(fā)宇宙學(xué)、天體物理和高能物理等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。《自然·通訊》審稿人高度評(píng)價(jià)該工作，認(rèn)為這種新穎的實(shí)驗(yàn)方法，為直接探測(cè)較大質(zhì)量的類(lèi)軸子開(kāi)辟了實(shí)驗(yàn)窗口。（新華網(wǎng)徐海濤）
