Nieuwe spinsnelheidsexperimenten zouden natuurkundeboeken kunnen herschrijven

Onderzoekers hebben kwantumsensoren gebruikt om nieuwe deeltjesinteracties op microscopische afstanden te onderzoeken, wat baanbrekende resultaten oplevert die de reikwijdte van het standaardmodel in de natuurkunde vergroten.

Een onderzoeksteam onder leiding van academicus Du Jiangfeng en professor Rong Xing van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC), onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), in samenwerking met professor Jiao Man van de Universiteit van Zhejiang, gebruikte solid-state spin-kwantumsensoren om afhankelijke exotische interacties (SSIVD’s) in korte krachtbereiken te onderzoeken. Hun onderzoek rapporteerde nieuwe experimentele resultaten met betrekking tot de interacties tussen de spins van elektronen en werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

Het Standaardmodel is een zeer succesvol theoretisch raamwerk in de deeltjesfysica, dat fundamentele deeltjes en vier fundamentele interacties beschrijft. Het Standaardmodel kan echter nog steeds geen enkele belangrijke observatiefeiten in de huidige kosmologie verklaren, zoals donkere materie en donkere energie.

Sommige theorieën suggereren dat de nieuwe deeltjes zouden kunnen fungeren als diffusie-apparaten, waardoor nieuwe interacties tussen standaardmodeldeeltjes zouden kunnen worden overgedragen. Momenteel is er een gebrek aan experimenteel onderzoek naar nieuwe snelheidsgerelateerde interacties tussen cycli, vooral in het relatief kleine kracht-afstandsbereik, waar experimentele verificatie vrijwel onbestaande is.

Experimentele resultaten van het onderzoek. Krediet: Du et al.

Experimentele opzet en methodologie

De onderzoekers ontwierpen een experimentele opstelling uitgerust met twee diamanten. Op het oppervlak van elke diamant wordt met behulp van chemische dampafzetting een hoogwaardige stikstofvacancy (NV)-array aangebracht. De elektronenspin in de ene NV-groep fungeert als spinsensor, terwijl de andere als spinbron fungeert.

De onderzoekers zochten naar nieuwe interactie-effecten tussen de snelheidsafhankelijke spin van elektronen op micrometerschaal door op coherente wijze de spinkwantumtoestanden en relatieve snelheden van twee diamanten NV-clusters te manipuleren. Eerst gebruikten ze een spinsensor om de interactie van een magnetische dipool met een spinbron als referentie te karakteriseren. Vervolgens maten ze de SSIVD’s door de trilling van de spinbron te moduleren en vergrendelingsdetectie en orthogonale faseanalyse uit te voeren.

Voor twee nieuwe reacties voerden de onderzoekers de eerste experimentele detectie uit in het krachtbereik van respectievelijk minder dan 1 cm en minder dan 1 km, en verkregen waardevolle experimentele gegevens.

Zoals de redacteur opmerkte: “De resultaten bieden nieuwe inzichten voor de kwantumsensorgemeenschap voor het onderzoeken van fundamentele interacties door gebruik te maken van de compacte, flexibele en spingevoelige kenmerken van de vaste toestand.”

Referentie: “Nieuwe beperkingen op exotische spinsnelheidsafhankelijke interacties met solid-state kwantumsensoren” door Yu Huang, Hang Liang, Man Jiao, Bai Yu, Xiangyu Yi, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Zhang-Kui Duan, Ya Wang, Xingrong en Jiangfeng Du, 30 april 2024, Materiële beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.180801