近年来，能够精确测量原子器件转动信号的原子共磁力仪受到物理学家的广泛关注，其既可以被用于基础物理的研究，又在实际工作中得到大量的应用。当转动信号在实验中被置零后，原子共磁力仪还可用来探索单极-偶极相互作用，而该作用是通过一种一直未被探测到的基本粒子“轴子”来传播的。
据了解，轴子既是解决量子色动力学中强 CP 破坏效应的假设粒子，也为宇宙中的冷暗物质提供了可能的来源。目前，科学家已经采用了许多方法来搜索轴子，并且大多数实验室的工作都是基于在磁场存在下的轴子 光子转换。
而且，在过去的十中，已经出现了寻找原子和宏观物体之间反常的桌面实验，这也为寻找标准模型之外的新物提供了补充方法。
▲图 | 卢征天（来源：卢征天）
近期，中国科学技术大学物理学院教授卢征天课题组与该校工程科学学院盛东教授课题组联合开发了高精度的 Xe 同位素共磁力。研究人员在论文中提到：“我们利用该原子器件探索超越标准模型的新物理，对核子与中子间的单极-偶极相互作用强度在亚毫米尺度上设定了新的上限”。
6 月 10 日，相关论文以《用 129Xe-131Xe-Rb 共磁仪研究亚毫米波段单极-偶极相互作用》（Search for Monopole-Dipole Interactions at the Submillimeter Range with a 129Xe-131Xe-Rb Comagnetometer）为题，发表在 Physical Review Letters 上，卢征天和盛东担任共同通讯作者，中国科学技术大学物理学院博士生丰宇焜为第一作者。
▲图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）
据悉，该团队一直以来的目标是实现原子器件的高精度测量。为此，他们提出了自主的原子器件制备技术，并运用该技术制备出一种高精度的新型氙同位素共磁力仪。此外，他们还探究了极化调制抑制极化碱金属原子时，怎样影响核自旋进动。
涉及自旋和大质量粒子之间的标量耦合的单极-偶极相互作用违反了 P 和 T 对称性，并且可以由轴子介导。在本次研究中，课题组更多关注的是核子和中子自旋之间的耦合。对于 1μev<ma<1mev、0.2m m<λ<0.2m 的经典轴子窗口，实验室对耦合强度的上限是通过使用核自旋同系物测量仪和自补偿同系物测量仪来确定的。
研究人员称，他们还在为探索原子系统中共振激发的而努力中，旨在弥合实验室工作设置的限制与天文事件分析设置的限制之间的差距。
此外，他们研究了129Xe-131Xe-Rb 同磁仪中子自旋与非磁性锗酸铋（Bi4Ge3O12，简称 BGO）晶体中，相互作用长度为 0.1-0.6mm 的核之间的单极-偶极相互作用。之前，科学家使用这种共测系统来研究单极-偶极相互作用。在该实验中，由极化 Rb 原子产生的磁场被确定为主要的系统热效应。
（来源：Physical Review Letters）
在这里，他们使用了一个调制的 Rb 极化方案，并将极化 Rb 原子的系统效应抑制了 2 个数量级。此外，本函的测量顺序旨在通过周期性地切换三个实验条件：偏置场方向、泵浦光束极化和 BGO 质量位置，进一步抑制实验参数不完全控制的残余效应。
研究人员在论文中提到：“利用这些技术和收集的实验数据，最终，在 0.11-0.55mm 的作用范围量级内，特别是在 0.24mm 附近，我们对单极-偶极相互作用强度设定了新的测量上限。”另外，值得一提的是，在实验的精度上，本次研究相较于之前有了 30 倍的提升。
单极材料方面，研究人员选择了具有非磁性、高密度（7.12g=cm3）和低导热性的 BGO。据介绍，圆柱形 BGO 质量直径 1 厘米，长度 2 厘米，核子数密度为4.5×1024=cm3，它由一根塑料棒固定，并与原子电池同轴放置。
使用平移级移动 BGO，可使 BGO 的前表面与细胞内表面之间的最小距离为 0.74mm 左右，其最大距离为 3.25mm。在实验中，该团队重点研究了与 BGO 质量位置相关的两个Xe同位素的进动频率之间的比值 R。
（来源：Physical Review Letters）
然而，目前他们的结果还受限于 Rb 磁计灵敏度、 BGO 质以及 Xe 原子之间的最小距离。
为了进一步提高搜索灵敏度，可以采用多通腔技术来提高 Rb 磁计的灵敏度。此外，分隔 Xe 自旋和 BGO 质的壁也可以通过微细加工技术变得薄，从而减少两者之间的最小距离。研究人员表示，这些方法都可以在亚毫米范围内将搜索灵敏度提高几个数级。
参考资料：
1.Y.-K. Feng et al. Search for Monopole-Dipole Interactions at the Submillimeter Range with a 129Xe-131Xe-Rb Comagnetometer. Physical Review Letters.（2022）https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.231803
