據物理學家組織網19日報道，美國陸軍研究人員稱，他們研制出了一款新型量子傳感器，可以幫助士兵探測整個無線電頻譜——從0到100吉赫茲（GHz）的通信信號。

美國陸軍作戰能力發展司令部下屬陸軍實驗室的科學家戴維·邁耶解釋說，2018年，陸軍科學家研制出全球首款使用高激發態、超靈敏原子（里德堡原子）探測通信信號的量子接收器。在最新研究中，他們根據基本原理計算出接收器的信道容量（數據傳輸速率），然后在實驗中將其他研究團隊的結果提高了幾個數量級。

邁耶說：“新傳感器非常小巧，幾乎無法被其他設備探測到，有望讓士兵們如虎添翼。科學家最近才開始考慮將基于里德堡原子的傳感器應用于電場傳感領域，包括用作通信接收器。盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學家迄今從未對整個運行波段的靈敏度進行定量描述。”

為評估潛在應用，陸軍科學家分析了從0到10的12次方赫茲的巨大頻譜范圍內，新款里德堡傳感器對振蕩電場的靈敏度。結果表明，里德堡傳感器可靠地探測到整個頻譜段的信號。在傳統接收器系統中，單根天線無法覆蓋如此寬的頻譜范圍，要做到這一點，可能需要單根天線、放大器和其他組件協同作戰。而且，新量子傳感器的靈敏度可與其他電場傳感器技術——如電光晶體和偶極天線耦合的無源電子設備等相媲美。

邁耶說：“量子力學使我們能清晰地了解傳感器的校準和最終性能，而且，每個傳感器的校準和性能都相同，有助于士兵們在野外使用這一系統。”

陸軍科學家計劃進一步錘煉最新技術，提高這款量子傳感器的靈敏度，使其能探測到更弱的信號，并擴展用于探測更復雜波形的協議。（科技日報 記者劉霞）

中國科大利用單自旋量子傳感器對新奇自旋相互作用做出新實驗限定

中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室利用單自旋量子傳感器，對超越標準模型自旋為1的軸矢量玻色子在微米尺度給出新的實驗限定，該結果相比針對這種相互作用的原有國際最好水平在力程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，發表在8月22日的《物理評論快報》[Phys.Rev.Lett.121，080402(2018)]上。

諾貝爾獎得主Wilczek在1984年提出軸子或類軸子可能誘導新奇自旋相互作用，因此提出在實驗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，有很多物理實驗對這16種新奇自旋相互作用展開研究并給出實驗限定。杜江峰團隊2018年初在國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，并將實驗搜尋的力程拓展到亞微米尺度[Nature Communications 9，739(2018)]。

在該工作中，杜江峰團隊利用NV色心單電子自旋量子傳感器，對自旋為1的軸矢量玻色子誘導的極化電子之間的相互作用展開研究。研究人員首先發展了基于NV色心的極化電子自旋信號測量技術[Phys.Rev.Applied 9，064003(2018)]，成功探測到激光極化后的并五苯樣品產生的極化電子自旋信號。然后利用不同深度的NV色心測量極化電子自旋信號，并將實驗數據與標準模型以內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現新粒子存在的證據，這為極化的電子-電子相互作用的探索提供了新的實驗觀測約束。

中科院微觀磁共振重點實驗室研究員榮星是文章的第一作者。該項研究得到國家自然科學基金委、中科院、科技部和安徽省的資助。（中國科學技術大學）

我國學者成功研制用于搜尋新粒子的單自旋量子傳感器

尋找粒子物理標準模型之外的新粒子，對物理新探索非常重要。記者從中國科學技術大學獲悉，該校杜江峰院士團隊近期成功研制出用于搜尋“類軸子粒子”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。國際權威學術期刊《自然·通訊》日前發表了該成果。

新粒子的發現，可用于填補當前粒子物理學、天體物理和宇宙學等方面的理論缺陷，例如粒子質量等級問題、強CP疑難、正反物質不對稱性以及暗物質和暗能量的物理本質。

近年來，國際學界發展了一系列精巧的實驗裝置，在20微米以上的力程范圍內開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開展實驗研究，則面臨一系列挑戰：如何構筑一個尺寸足夠小的傳感器？如何設計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？如何有效隔離好環境噪聲，尤其是不可避免的電磁噪聲？

近期，杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室團隊與中科大天文學系、國家同步輻射實驗室科研人員合作，提出并實現了一種全新的探測方法，即將金剛石近表面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。他們制備了離金剛石表面10納米以內的NV色心作為探測器，開發了相應的電子學設備和量子控制方法，解決了上述制約短力程探索的系列難題。實驗表明，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約束。

據介紹，這一新方法也可以推廣到其它自旋相關的新相互作用的研究，從而為利用單自旋量子傳感器來研究超出標準模型的新物理提供了可能性，有望激發宇宙學、天體物理和高能物理等多個科學領域的廣泛興趣。《自然·通訊》審稿人高度評價該工作，認為這種新穎的實驗方法，為直接探測較大質量的類軸子開辟了實驗窗口。（新華網徐海濤）