Nowe eksperymenty mające na celu pomiar prędkości obrotowej mogą zmienić podręczniki fizyki

Naukowcy wykorzystali czujniki kwantowe do zbadania nowych interakcji cząstek w mikroskopijnych odległościach, uzyskując przełomowe wyniki, które poszerzają zakres Modelu Standardowego w fizyce.

Zespół badawczy kierowany przez akademika Du Jiangfenga i profesora Rong Xinga z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) wchodzącego w skład Chińskiej Akademii Nauk (CAS), we współpracy z profesorem Jiao Manem z Uniwersytetu Zhejiang, wykorzystał półprzewodnikowy spinowe czujniki kwantowe do badania zależnych egzotycznych interakcji na rotację i prędkość (SSIVD) w krótkich zakresach sił. Ich badanie dostarczyło nowych wyników eksperymentalnych związanych z interakcjami między spinami elektronów i zostało opublikowane w czasopiśmie: Listy przeglądowe materiałów.

Model Standardowy to bardzo udana rama teoretyczna w fizyce cząstek elementarnych, która opisuje cząstki podstawowe i cztery podstawowe interakcje. Jednak Model Standardowy nadal nie jest w stanie wyjaśnić niektórych ważnych faktów obserwacyjnych we współczesnej kosmologii, takich jak ciemna materia i ciemna energia.

Niektóre teorie sugerują, że nowe cząstki mogą działać jako urządzenia dyfuzyjne, przenosząc nowe interakcje między cząstkami Modelu Standardowego. Obecnie brakuje badań eksperymentalnych nad nowymi interakcjami prędkościowymi pomiędzy cyklami, szczególnie w stosunkowo małym zakresie siła-odległość, gdzie weryfikacja eksperymentalna prawie nie istnieje.

Wyniki eksperymentalne badania. Źródło: Du i in.

Układ eksperymentalny i metodologia

Naukowcy zaprojektowali eksperymentalne urządzenie wyposażone w dwa diamenty. Na powierzchni każdego diamentu przygotowano wysokiej jakości zestaw wakatów azotowych za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Spin elektronów w jednej grupie wakatów azotu działa jako czujnik spinu, podczas gdy drugi działa jako źródło spinu.

Naukowcy poszukiwali nowych efektów interakcji pomiędzy zależnymi od prędkości spinami elektronów w skali mikrometrowej, poprzez spójną manipulację stanami kwantowymi spinu i prędkościami względnymi dwóch diamentowych klastrów NV. Najpierw wykorzystali czujnik spinu, aby scharakteryzować interakcję dipola magnetycznego ze źródłem spinu jako punktem odniesienia. Następnie, modulując drgania źródła wirowania i przeprowadzając detekcję blokowania oraz analizę fazy ortogonalnej, zmierzyli SSIVD.

W przypadku dwóch nowych reakcji badacze dokonali pierwszej eksperymentalnej detekcji odpowiednio w zakresie siły poniżej 1 cm i poniżej 1 km i uzyskali cenne dane eksperymentalne.

Jak zauważa redaktor: „Wyniki dostarczają społeczności zajmującej się czujnikami kwantowymi nowych spostrzeżeń, umożliwiających badanie podstawowych interakcji wykorzystujących zwarte, elastyczne i wrażliwe cechy spinu ciała stałego”.

Odniesienie: „Nowe ograniczenia dotyczące egzotycznych interakcji zależnych od prędkości spinu z półprzewodnikowymi czujnikami kwantowymi” autorstwa Yu Huanga, Hang Lianga, Man Jiao, Bai Yu, Xiangyu Yi, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Zhang-Kui Duan, Ya Wang, Xingrong i Jiangfeng Du, 30 kwietnia 2024 r., Listy przeglądowe materiałów.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.180801