Ein Forschungsteam hat Festkörper-Spin-Quantensensoren verwendet, um exotische Spin-Spin-Geschwindigkeits-abhängige Wechselwirkungen (SSIVDs) bei kurzen Kraftbereichen zu untersuchen und neue experimentelle Ergebnisse zwischen Elektronenspins zu berichten. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Das Standardmodell ist ein sehr erfolgreiches theoretisches Gerüst in der Teilchenphysik, das Elementarteilchen und vier grundlegende Wechselwirkungen beschreibt. Allerdings kann das Standardmodell einige wichtige Beobachtungsdaten der modernen Kosmologie, wie etwa dunkle Materie und dunkle Energie, immer noch nicht erklären.
Einige Theorien legen nahe, dass neue Teilchen als Propagatoren fungieren und neue Wechselwirkungen zwischen Teilchen des Standardmodells übertragen können. Gegenwärtig mangelt es an experimenteller Forschung zu neuen Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der Geschwindigkeit zwischen Spins, insbesondere im relativ kleinen Kraft-Distanz-Bereich, wo eine experimentelle Überprüfung praktisch nicht möglich ist.
Die Forscher entwarfen einen Versuchsaufbau mit zwei Diamanten. Auf der Oberfläche jedes Diamanten wurde mittels chemischer Gasphasenabscheidung ein hochwertiges Stickstoff-Fehlstellen-Ensemble (NV) hergestellt. Der Elektronenspin in einem NV-Ensemble dient als Spinsensor, während der andere als Spinquelle fungiert.
Die Forscher suchten nach neuen Wechselwirkungseffekten zwischen dem geschwindigkeitsabhängigen Spin von Elektronen auf einer Mikrometerskala, indem sie die Spinquantenzustände und Relativgeschwindigkeiten zweier Diamant-NV-Ensembles kohärent manipulierten. Zunächst verwendeten sie einen Spinsensor, um die magnetische Dipolwechselwirkung mit der Spinquelle als Referenz zu charakterisieren. Dann maßen sie die SSIVDs, indem sie die Vibration der Spinquelle modulierten und Lock-in-Erkennung sowie eine phasenorthogonale Analyse durchführten.
Für zwei neue Wechselwirkungen führten die Forscher erstmals experimentelle Messungen im Kraftbereich von weniger als 1 cm bzw. weniger als 1 km durch und gewannen so wertvolle experimentelle Daten.
Der Herausgeber bemerkte: „Die Ergebnisse bringen der Quantensensor-Community neue Erkenntnisse zur Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen unter Ausnutzung der kompakten, flexiblen und empfindlichen Eigenschaften von Festkörperspins.“
Das Team wurde von den Akademikern Du Jiangfeng und Prof. Rong Xing von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinese Academy of Science (CAS) in Zusammenarbeit mit Professor Jiao Man von der Zhejiang-Universität geleitet.
Mehr Informationen:
Yue Huang et al, Neue Einschränkungen für exotische Spin-Spin-Geschwindigkeits-abhängige Wechselwirkungen mit Festkörper-Quantensensoren, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.180801
Zur Verfügung gestellt von der University of Science and Technology of China