近日，南京大学物理学院黄璞、孔熙团队与中国科学技术大学研究团队合作，围绕暗物质相关新物理问题，利用悬浮磁体力传感器，通过探测电子自旋之间可能存在的微弱相互作用，在厘米尺度上开展了高精度实验搜寻，并在相应作用程范围内建立了目前最严格的实验室约束。在λ=1.6×10-2 m处，对两类相互作用耦合强度的约束较此前实验结果分别提升约12个和13个数量级。

标准模型成功描述了电磁、弱和强相互作用，却仍无法解释暗物质、宇宙中物质-反物质不对称等重大科学问题。许多超越标准模型的理论预言，轴子、类轴子、Z'玻色子或隐光子等轻玻色子中，一些可能构成暗物质，另一些可能充当暗物质与普通物质之间的媒介，并在费米子之间传递极其微弱的自旋相关相互作用。对这些相互作用进行精密实验搜寻，有助于检验新玻色子模型，并为理解暗物质及其他新物理现象提供线索。

本工作重点探测两类同时依赖粒子自旋和相对运动速度的微弱相互作用，通常分别记为V6和V14。这类信号在厘米尺度上极其微弱，容易被普通磁相互作用、静电作用和环境振动淹没。此前，金刚石氮空位色心实验主要覆盖较短作用程，原子磁力计实验则在更长作用程提供约束；对于V6相互作用，10-3 m至6×10-2 m之间仍存在有待深入探索的参数区间。如何同时获得高电子自旋密度和高力灵敏度，成为突破这一尺度范围的关键。

针对这一挑战，研究团队在前期悬浮力传感研究的基础上，进一步利用具有高电子自旋密度的悬浮永磁体作为力传感器，使传感器本身同时成为偏振电子自旋源。传感器由悬浮磁体和探测杆组成，通过光强变化读出其微小位移；其下方设置由四块永磁体组成的旋转自旋源，并针对V6和V14两种相互作用分别设计自旋取向。旋转一周可产生四次周期性作用，通过调节转速，使这种潜在微弱作用力的调制频率与传感器约21 Hz的竖直平动模共振，从而放大可能存在的微弱信号。实验同时采用六层磁屏蔽、被动隔振和标定线圈，抑制常规背景并实现力信号定量标定。

图1. 悬浮磁体力传感器及旋转自旋源实验方案。左图为整体装置；中、右图分别为V6和V14相互作用的自旋构型。

实验中，研究团队分别在两种自旋构型下开展长时间测量，未在目标频率处观察到显著高于噪声本底的信号。由此，在95%置信水平下，V6测量对应的微弱作用力上限为2.81×10-13 N，V14测量对应的上限为4.65×10-13 N。结合理论模型和实验几何积分，在λ=1.6×10-2 m处，研究团队分别得到|f6|≤2.12×10-13和|f14|≤2.34×10-23。其中，V6约束覆盖了此前金刚石氮空位色心实验与原子磁力计实验之间的参数空白；V14约束则被拓展至毫米以上的更长作用程，并在相应范围内给出目前最严格的实验限制。

图2. 两类暗物质相关自旋-自旋-速度相互作用的约束结果。红线为本工作给出的实验上限，黑线为此前实验结果。

研究团队还将有效相互作用参数转换为更基本的粒子物理耦合参数。例如，在λ=1.6×10-2 m处，本工作给出|gAe Im(Ce)/Λ2|≤3.17×10-31 eV-2的上限，为相关自旋新玻色子模型提供了严格的实验检验，使实验结果能够与粒子物理中的其他约束直接比较。

该研究通过探测暗物质候选轻玻色子可能介导的自旋-自旋-速度相关相互作用，为暗物质相关新物理研究提供了新的技术路径，也进一步展示了悬浮力学系统在精密力测量和新物理探索中的潜力。与以原子自旋或固态色心作为探测单元的方案相比，悬浮磁体兼具高密度电子自旋资源和高力灵敏度。未来通过进一步降低位移读出噪声、优化磁屏蔽结构并减小空气阻尼和涡流损耗，系统有望逐步逼近热噪声极限，并拓展至更多新玻色子和暗物质相关相互作用的搜寻。

相关研究成果以“Stringent Constraints on Spin-Spin-Velocity-Dependent Exotic Interactions with a Levitated Magnet Force Sensor”为题，于8月17日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），为超轻玻色子介导的新相互作用研究提供了新的实验路径。南京大学物理学院田柯楠、陈思文、汪磊和盛元纪为论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、中央高校基本科研业务费、南京大学博士生铸剑计划和江苏省量子信息科学与技术重点实验室等支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/35c1-ylnx

DOI：10.1103/35c1-ylnx