| 신형 초민감 양자 정밀측정기술 개발해 암흑물질 실험적 직접탐색 수행 | ||
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  2021년 11월 18일, 중국과학기술대학 중국과학원미세자기공명중점실험실 Peng Xinhua(彭新華) 연구팀은 독일헬름홀츠연구소 Dmitry Budker 교수 연구팀과 공동으로 신형 초고감도 양자 정밀측정기술을 개발하고 동 신기술을 이용해 암흑물질 실험적 직접탐색을 수행했다. 관련 실험 결과는 기존의 국제 최고 수준에 비해 적어도 5개 수량급 향상됐고 또한 최초로 국제 공식 최대 우주천문학 한계를 돌파했다. 해당 연구 성과는 “Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”란 제목으로 국제저명학술지 “Nature Physics”에 온라인으로 게재됐다(https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z). 연구팀은 기체상태 제논과 루비듐 원자 혼합 증기실을 사용해 초고감도 “데스크탑식”의 신형 핵스핀(nuclear spin) 양자측정기술을 발명함과 아울러 현재 세계 최고감도의 핵스핀 자기센서(magnetic sensor)를 구현했다. 해당 연구는 완전 새로운 스핀증폭효과를 제시했다. 구체적으로 외부 측정대기 자기장의 주파수가 제논 원자의 제이만(Zeeman) 주파수에 근접할 시 측정대기 자기장의 강도는 제논 원자에 의해 적어도 100배로 뚜렷이 증폭될 수 있다. 상기 새로운 증폭 메커니즘은 기존의 메커니즘과 달리 아래와 같은 뚜렷한 우위가 있다. 첫째, 해당 기술은 레이저를 사용해 루비듐 원자 증기를 분극화한 다음 루비듐과 기체상태 제논 원자의 스핀 교환 충돌을 이용해 제논 원자의 핵스핀을 분극화한다. 제논 핵스핀의 편극도(polarizability)를 ~10-6 밖에 도달시키지 못하는 기존의 열분극 방법에 비해 해당 기술은 편광 방법을 이용해 0.3에 근접하는 스핀 편극도를 획득했다. 둘째, 기존의 방법은 제논 원자에 대한 외부 탐측을 채택하지만 해당 방법은 루비듐 원자와 크세논 원자의 무작위 스핀 교환 충돌을 통해 제논 원자 신호를 고감도로 판독할 수 있어 장치의 부피 및 복잡도를 대폭 줄였다. 연구팀은 해당 물리적 메커니즘에 기반해 최초의 자기장 양자 증폭기를 설계하고 “spin-based amplifier”라 명명했다. 동 증폭기는 초저자기장배경잡음을 보유하는 아주 훌륭한 자기장 증폭설비다. 동 스핀 증폭기를 원자 자력계와 결합시켜 원자 자력계의 자기감지 민감도를 100배 향상시켜 fT 감도급(1fT=10-15T)에 도달시켰다. 뿐만 아니라 연구팀은 스핀 증폭기를 교묘하게 이용해 암흑물질에 의해 생성된 “슈도 자기장(pseudo-magnetic fields)”을 증폭시켜 암흑물질 탐색 민감도를 대폭 향상시킴과 아울러 feV-peV 저에너지 영역 암흑물질에 대한 실험적 직접탐색을 수행했다. 획득한 암흑물질 및 원자핵 결합강도 한계는 CASPEr팀이 2019년에 발표한 국제 최고 수준의 한계에 비해 적어도 5개 수량급 향상됐고 또한 최초로 우주천문학 한계(SN1987A)를 돌파했다. 기존의 대형 암흑물질 과학장치에 비해 해당 설비 전체는 탁상 크기의 공간배치 밖에 필요로 하지 않는다. 해당 성과는 양자 정밀측정기술과 암흑물질 탐색의 교차융합을 충분히 보여주었는바 우주천문학, 입자물리학 및 원자분자물리학 등 여러 기초과학에서 광범위한 흥미를 불러일으킬 것으로 기대된다. 정보출처 : http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77600.htm |
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