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2025-10-07 0
北大北航联手！第五力实验灵敏度飙升万倍，锁定轴子窗
AI科技
2025年10月07日 17:08 0
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2025年10月，北大季伟助理教授和北航魏凯教授的团队搞出个大事，他们用一种叫K-Rb-21Ne共磁力仪的设备，测了轴子传递的“第五力”，结果在关键的轴子窗区间，把实验灵敏度提了足足一万倍。
此成果成功登上《Physical Review Letters》。在业内，这本期刊堪称物理学界的佼佼者，于该领域声誉斐然、影响深远，是实至名归的顶尖刊物。
此次事宜由季伟、魏凯两位教授牵头推进。而作为主要贡献者的第一作者，乃是北京航空航天大学的博士毕业生徐子童。
老实讲，做这种极弱信号探测的实验，最头疼的就是俩问题：一是自旋源的磁场容易泄漏，二是要在亚分米这么近的距离里，测出亚飞特斯拉那么弱的信号。
之前好多实验室都卡在这关，没想到这团队居然解决了。
他们为磁力仪精心设计了“软磁环绕硬磁”的独特结构，还定制了复合磁屏蔽。据悉，该屏蔽由三种结构组合而成，如此设计别具匠心。
季伟老师向DeepTech透露，该套设计把普通磁场强度降低了11个量级。尤为值得关注的是，轴子可能引发的“第五力”信号未被屏蔽，依旧存在被捕捉到的可能性。
这操作我是真佩服，相当于在一堆噪音里，精准捏住了想听的那声“悄悄话”。
#微型自旋源+原子“耳朵”，实验是这么玩的
本来想把实验原理说得再简单点，但后来发现要是省太多细节，反而让人更糊涂，所以还是得掰开揉碎说。
团队将SmCo₅永磁体与软磁外壳巧妙结合，打造出微型自旋源。随后，借助电机驱动，让这一精心构建的微型装置开始运转，这么转着，就能产生类似普通电磁场的信号。
但重点不在这普通信号上，倘若轴子介导的“第五力”确实存在，旋转的自旋源便如天线一般，能够发射出源于“第五力”的奇异电磁场信号，这无疑为探索未知物理世界打开了一扇崭新的窗扉。
那怎么接住这信号呢？团队又用了K-Rb-21Ne共磁力仪当“原子耳朵”。
此磁力仪极为灵敏，对奇异电磁场的影响有着敏锐察觉，具备卓越的感知能力，即便自旋方向发生细微改变，它亦能精准捕捉到相关信息。
不过有个问题得说清楚，这次实验没直接观测到“第五力”信号。
然而，此举并非徒劳无功。在0.01meV至0.1meV的轴子质量区间内，他们为电子自旋与中子、质子自旋的耦合常数，划定了截至目前最为严苛的范围。
尤其是在轴子质量约0.02meV的地方，灵敏度比之前的结果高了一万多倍。
如此看来，就算没直接找到“第五力”，也把搜索范围缩小了一大圈，聊完实验本身，咱得弄明白，轴子和“第五力”到底为啥值得这么费劲研究。
轴子本质上是一种“假想粒子”。它最初被提出，旨在解决强相互作用中CP破缺这一难题，为相关领域的理论研究开辟了新的思路与方向。
1984年，物理学家穆迪和维尔切克提出设想：若轴子确实存在，它将在费米子间传递一种前所未有的、与自旋相关的相互作用，此即被谓之“第五力”的作用。
要知道，咱们现在认知里的基本力就四种：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。
“第五力”根本不在标准模型里，所以找到它，说不定就能揭开标准模型之外的新物理。
而且轴子还有个身份，轻质量暗物质的热门候选者，宇宙里85%的质量都看不见，要是轴子能解释这部分“失踪的质量”，那对物理学的影响可就太大了。
但这么多年，全球的实验室都没摸到“轴子窗”的门。
轴子窗指的是轴子质量处于1微电子伏特（μeV）至1毫电子伏特（meV）的区间，在此区间内，对应的力程约为0.2毫米至20厘米。
为啥难？因为要同时做到抑制磁场泄漏和探测弱信号，这俩需求本身就有点“矛盾”。
而这次北大北航团队，算是第一次在这个关键区间里，拿出了这么高精度的实验数据。
#不止第五力！这团队早在暗物质探测领域破过局
可能有人会觉得，这团队是不是突然“爆火”？其实不是，他们之前在轴子相关的研究里就有过突破。
此前，季伟携手北京大学助理教授刘佳、教授魏凯，全力投入超轻暗物质的直接探测工作。他们秉持创新精神，开创性地提出了名为“混合自旋共振”的全新模式。
那回的成果发在了《Reports on Progress in Physics》上，第一作者是魏凯教授和徐子童。
传统的核磁共振在找暗物质时，总被扫描效率低、频率覆盖窄的问题卡脖子。
这团队又想到了K-Rb-21Ne共磁力仪，他们调节碱金属和惰性气体的耦合，让两种原子自旋进入共振状态，一下子把探测带宽从0.01Hz扩到了35Hz。
最后在0.01Hz到1kHz的好几个频段里，他们给出了世界领先的限制，有些区域甚至第一次超过了天文学上超新星爆发和中子星冷却的观测限制。
有意思的是，之前那项研究是找轴子作为暗物质的痕迹，这次是找轴子传递“第五力”的信号，虽然方向不同，但最终都是为了探索新物理。
而且这团队搞出来的技术，不光能用于物理研究，还能往其他领域转。
以零磁场核磁共振为例，其需在强磁场与极低磁场间切换。团队所设计的磁屏蔽装置，不仅能够有效缩短切换时间，而且还可显著减少信号衰减。
季伟老师说，这装置的原理还能用于极弱磁测量，比如测脑磁、心磁，现在已经有团队在琢磨相关产品了。
说不定以后去医院做脑检查，用的就是基于这套技术的设备。
更值得期待的是，这装置还能放到空间站上，在太空里没有大气干扰，做基础物理研究的条件更好，说不定到时候还能有新发现。
更值得一提的是，他们的研究目光并非仅聚焦于轴子。在自旋为1的暗光子介导相互作用领域，亦取得显著突破。与之相关的论文即将刊载于PNAS。
很显然，他们是打算在新物理探索的路上“多条腿走路”，毫无疑问，这次北大北航团队的实验，不光是灵敏度提升一万倍那么简单。
它填补了“轴子窗”探测的空白，也让咱们国家在基础粒子物理领域的话语权更重了。
而且他们搞出来的技术，还能往生物医疗、空间探索这些领域延伸，真正做到了“一次突破，多领域受益”。
期待他们之后能搞出更多成果，毕竟探索宇宙的基本规律，多些这样敢啃硬骨头的团队总是好的。
也希望更多人能关注这些基础研究，可能它们不像芯片、AI那样“接地气”，但正是这些看似“遥远”的探索，才能帮我们揭开宇宙更多的秘密。
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