粒子物理规范模型自半个世纪前建立以来，已在粒子加速器试验中饱尝住了无数次的查验。但是，粒子物理规范模型所描绘的粒子和相互作用仅占有了观测世界单位体积内的包括的能量的5%。许多逾越规范模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等预言了轴子这种暗物质的抢手候选粒子。这类粒子值勤与规范模型粒子相互作用，引起规范模型粒子弱小的能级移动。量子精细丈量技能使用相干、相关和羁绊等特性，能轻松完成对弱小能级的超活络丈量，并且一般具有桌面尺度，为暗物质搜索供给了革新性的手法。国内外很多闻名高校和科研机构根据量子精细丈量技能在宽广的质量规模（10eV至1 eV）内展开了一系列轴子暗物质搜索试验。近年来，Nature和Physics Reports等转瞬威望学术期刊相继发表文章指出，一些特定理论模型（例如高温格点QCD模型和SMASH模型）猜测轴子和Z玻色子十分有或许存在于所谓的“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内。但是，因为轴子暗物质的信号极端弱小，极易被环境噪声和经典磁场的搅扰信号所掩盖，因而仅有少量研讨团队在这一质量规模展开过试验搜索。

  在本项工作中，研讨人员奇妙地使用了两个相距60毫米的极化129Xe原子系综，在轴子窗口内勘探轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用（见图1a）。在试验设备中，一个129Xe原子系综充任自旋传感器，另一个129Xe原子系综作为自旋源。为了更好的进步129Xe核自旋的极化度或许勘探活络度，研讨人员在129Xe原子系综中混入碱金属Rb，成功完成了对129Xe极化矢量信号高达145倍的扩大，构建了一个超活络的轴子暗物质勘探器。试验中，对自旋源中的129Xe原子系综施加磁场脉冲，使129Xe原子的核自旋翻转90°，随后这些原子以其特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。理论预期这类进动的129Xe原子将经过轴子传递自旋相互作用给自旋传感器中的129Xe，由此发生潜在的轴子暗物质信号。为了捕捉这一弱小信号，研讨人员使用激光探针监测129Xe传感器的极化状况，寻觅或许提醒轴子暗物质存在的细小误差。但是，因为轴子暗物质信号极端弱小，经典磁场搅扰或许成为高活络辨认轴子信号的巨大应战。为客服这一应战，研讨人员精心设计了磁屏蔽专心，成功把经典磁场信号按捺了1010倍。此外，他们还采用了在引力波勘探（如LIGO）中大规模的使用的最优滤波技能（optimal filtering），以最大极限地进步轴子暗物质信号的信噪比。虽然研讨人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接依据，但他们仍在轴子窗口内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合边界，发明了新的转瞬最佳纪录（见图1B）。这一效果不只展现了量子精细丈量技能在暗物质勘探范畴的巨大潜力，也为未来的相关研讨奠定了坚实的根底，例如彭新华教授及合作者于2023年提出了将量子传感器送到我国空间站的主意，使用地球作为自旋源以及空间站绕地球高速运动的共同优势，搜索轴子等暗物质候选粒子诱导的别致自旋相互作用，预期活络度将提高6-8个数量级，详见arXiv:2410.15755。

  我国科学院微观磁共振要点试验室博士后苏昊文为该文榜首作者，彭新华教授和江敏副教授为通讯作者。该研讨得到了科技部、国家自然科学基金委、我国科学院、我国博士后基金会等赞助。

  （我国科学院微观磁共振要点试验室、物理学院、我国科学院量子信息和量子科学技能创新研讨院、科研部）