中国科大探索万有引力对粒子自旋的作用

中国科学技术大学盛东教授与卢征天教授的联合课题组利用高精度氙同位素共磁力仪寻找中子自旋与万有引力的耦合效应，实验发现中子在自旋朝上与朝下之间的重量差别小于十万亿亿分之二（<2×10-21），结果将该效应的耦合强度设定了新的上限。相关成果以“Search for Spin-Dependent Gravitational Interactions at Earth Range”为题于5月15日发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 130, 201401 (2023)]。美国物理学会的《物理》杂志同时发表题为“Testing Gravity’s Effect on Quantum Spins”的报道，指出这项精密测量研究在量子理论与引力相遇的区域做出了新的探索。

图 1 实验发现中子在自旋朝上与朝下之间的重量差别小于十万亿亿分之二。

自然界有四种基本物理相互作用力，它们当中唯有引力还未在实验上发现与粒子自旋相关。假如自旋与引力耦合，那么处于不同自旋态的粒子在地球重力场中就会有极其微小的能量和受力差别。自上世纪70年代以来，研究人员发展出了多种经典或者量子测量方法来寻找自旋与重力的耦合现象，不断提高测量精度。同时，这类实验还检验引力作用中的基本时空对称性，寻找传播单极-偶极相互作用的类轴子粒子。

中科大课题组利用自主开发的原子器件和光谱测量技术 [Phys. Rev. A 102, 043109 (2020)]，以及为抑制共磁力仪系统误差发展的精密测量手段[Phys. Rev. Lett. 128, 231803 (2022)]，研制成兼顾高稳定性和高灵敏度的129Xe-131Xe-Rb共磁力仪。课题组将该共磁力仪作为一个量子罗盘来使用（quantum compass，仪器所测量的是自旋朝上与朝下的两个量子态之间的相干效应），通过对原子进动的测量，将系统的量子化轴方向对准地球自转轴（即北极星方向），重合程度好于0.6度，从而大幅度降低了实验中由地球自转导致的系统误差。实验结果将中子的自旋-重力耦合强度上限压缩了17倍，同时也将上述其它各类基础物理效应的检验精度提高了一个数量级。

图 2 原子器件受多层磁屏蔽保护，其量子化轴指向由转动-倾斜系列平台控制。原子器件（放大图）为充有铷原子蒸气和两种氙同位素气体的气室，内部尺寸为10´8´8毫米。

物理学院博士生张少博为论文第一作者，盛东和卢征天是共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和中科院先导项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.201401

《物理》杂志报道链接：https://physics.aps.org/articles/v16/80

（工程科学学院、物理学院、微尺度国家研究中心、科研部）