Усиление магнитного поля датчика вращения. (а) Принцип использования датчика вращения для поиска экзотических взаимодействий. Сигнал от псевдомагнитного поля усиливается усилителем на основе ¹²⁹ Xe, генерирующим эффективное магнитное поле B eff, считываемое спинами 87 Rb. (b) Коэффициент усиления 43,5±0,8 откалиброван на частотах около 9,00, 9,50, 10,00, 10,50, 11,00 Гц. (c) Повышенная магнитная чувствительность достигает 22,3 фТл/Гц 1/2 при резонансной частоте 10,00 Гц. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.051801

Еще не открытые аксионы и аксионоподобные частицы могут стать ключом к объяснению некоторых из самых глубоких загадок нашей Вселенной, таких как темная материя и нарушение зарядовой четности при сильных взаимодействиях. Несколько недавних теорий предсказали, что массы аксионов, вероятно, лежат в хорошо мотивированном «аксионном окне» (0,01 мэВ – 1 мэВ). Однако существующие лабораторные поиски и астрофизические наблюдения в основном ищут аксионы за пределами аксиального окна.

Исследовательская группа под руководством профессора Пэн Синьхуа из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук в сотрудничестве с профессором Дмитрием Будкером из Института Гельмгольца в Майнце использовала недавно разработанный спиновый усилитель для ограничения гипотетических колебаний аксионов, предоставляя возможность исследовать многообещающее пространство параметров. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Обмен аксионами между фермионами приводит к экзотическому диполь-дипольному взаимодействию, которое можно обнаружить в лабораторных экспериментах. В этой работе исследователи использовали большой набор поляризованных электронов рубидия-87 и поляризованных ядерных спинов ксеона-129 в качестве двух видов фермионов. За счет обмена аксионами рубидий может генерировать экзотический сигнал на ядерных спинах ксеона, а затем поляризованные ядерные спины ксеона-129 используются для резонансного поиска сигнала.

В частности, исследователи показали, что долгоживущие спины ксеона-129 действуют как квантовый предусилитель, способный усилить экзотический сигнал более чем в 40 раз, опосредованная аксионами, для массы аксиона от 0,03 мэВ до 1 мэВ в пределах окна аксиона.

Эта работа предлагает чувствительный квантовый метод для осуществления непрямого поиска аксионов с помощью недавно разработанного усилителя на основе спина, что является существенным улучшением чувствительности в теоретически интересной области масс для аксионов. Схема усилителя на основе спина, как новая реализация, расширяет возможности спиновых измерений и может быть дополнительно применена для резонансного поиска гипотетических частиц за пределами Стандартной модели, таких как новые темные фотоны со спином -1.