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 op rotatiesnelheden (SSIVD’s) in korte vermogensbereiken te onderzoeken. Hun onderzoek rapporteerde nieuwe experimentele resultaten met betrekking tot de interacties tussen de spins van elektronen en werd gepubliceerd in Materiële 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 observationele feiten in de huidige kosmologie verklaren, zoals donkere materie en donkere energie.

Sommige theorieën suggereren dat de nieuwe deeltjes zouden kunnen fungeren als diffusors, waardoor nieuwe interacties tussen standaardmodeldeeltjes zouden kunnen ontstaan. 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. Bron: Du et al.

Experimentele opzet en methodologie

De onderzoekers ontwierpen een experimenteel apparaat uitgerust met twee diamanten. Op het oppervlak van elke diamant werd met behulp van chemische dampafzetting een hoogwaardige reeks stikstofvacatures voorbereid. De elektronenspin in de ene groep van de stikstofvacature fungeert als spinsensor, terwijl de andere als spinbron fungeert.

De onderzoekers zochten naar nieuwe interactie-effecten tussen snelheidsafhankelijke elektronenspins 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 ze waardevolle experimentele gegevens.

Zoals de redacteur opmerkt: “De resultaten brengen nieuwe inzichten voor de kwantumsensorgemeenschap voor het onderzoeken van fundamentele interacties die gebruik maken van de compacte, flexibele en gevoelige kenmerken van solid-state spin.”

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, Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.180801