我国学者在极弱磁场量子精密测量及暗物质探测领域取得进展

　　

图 极弱磁场量子精密测量网络与暗物质探测示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2388102）等资助下，杜江峰院士、彭新华教授、江敏副教授及其合作者在基于自旋的极弱磁场量子精密测量技术及其暗物质探测应用方面取得新进展。相关成果分别以“利用暗自旋观测磁场放大（Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins）”为题，于2024年4月19日发表在《美国国家科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci.），论文链接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2315696121，和以 “基于长基线量子传感器网络的暗物质光晕探测仪（Long-Baseline Quantum Sensor Network as Dark Matter Haloscope）”为题，于2024年4月18日发表于《自然·通讯》（Nat. Commun.)，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47566-0。

　　极弱磁场探测技术对于生产生活、国家安全以及基础研究均具有重要意义。近年来，量子精密测量技术的飞速发展，使得磁场测量灵敏度得到显著提升，逐渐与粒子物理学、宇宙天文学、化学、医学等领域交叉融合，催生出具有独特优势和潜力的新兴研究方向。比如量子精密磁场探测技术为超轻暗物质探测提供了全新的超灵敏手段，具有桌面式、阵列化、建造周期短等优势，是当前粒子物理学的前沿热点方向。

　　研究团队致力于极弱磁场的量子精密测量技术及其应用研究，于2021年提出自旋量子放大技术，实现了128倍的磁场量子放大。在最新的研究成果中，研究团队提出暗态自旋量子放大技术，通过碱金属和惰性气体混合原子自旋体系，实现了原子自旋的极化、放大与读出过程的有效分离，使得在量子放大过程中惰性气体原子核自旋维持在暗态中，避免了来自极化碱金属原子的干扰，从而将氙原子核自旋的相干时间提高了一个数量级，达到6分钟，实现了5400倍的磁场量子放大，使单次测量（约500秒）能够探测到0.1fT级别的极弱磁场（1fT=10^-15T），极大提高了极弱磁场的测量灵敏度。

　　进一步地，研究团队将15台超灵敏自旋磁力计分布在不同城市，构建了量子精密测量网络，在1700公里距离上进行了超轻暗光子暗物质的关联探测（图）。该技术显著降低了噪声对单一探测器的干扰，并有望提供暗物质的传播方向信息。同时，研究团队创新性地使用了医学中测量脑电波的屏蔽房，进一步放大了暗光子诱导的磁场信号。最后通过时间同步测量和精确的数据分析，该量子精密测量网络完成了对质量范围4.1 feV至2.1 peV内暗物质的直接实验搜寻，获得的动力学混合系数界限超过了之前所有地面实验的结果。该工作不仅为极弱磁场探测提供了新方法，也为暗物质探测开辟了新的途径。