一. 以磁悬浮力传感器探索超出标准模型的新物理（暗能量、暗物质、新相互作用等）

[1] 确定性排除基础变色龙暗能量模型

Peiran Yin*, Rui Li*, Chengjiang Yin*, Xiangyu Xu, Xiang Bian, Han Xie, Chang-Kui Duan, Pu Huang†, Jian-hua He†, and Jiangfeng Du†. Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy. Nat. Phys. 18, 1181-1185 (2022)

宇宙正在加速膨胀，但驱动这一过程的“暗能量”究竟是什么，仍是现代物理最重要的谜题之一。变色龙理论认为，暗能量可能是一种会随环境密度改变性质的标量场：它在普通物质中被“隐藏”，却可能在真空中产生极微弱的第五种力。我们利用亚毫克磁悬浮力传感器和超薄测试质量，显著减弱物质对变色龙场的屏蔽，将实验约束推进近两个数量级，并覆盖宇宙学可行基础模型的全部参数空间。实验没有发现第五种力，从而确定性排除了基础变色龙暗能量模型。

该成果入选了《自然》杂志2022年度研究亮点（Research highlights in 2022）并进行了专栏报道（Nature，609,445（2022）。 多家国际、国内知名科学媒体，如《新科学家》（New Scientist）、《物理学网》（Phys.Org）、《光明日报》（2022/8/29）、《科技日报》（2022/8/26）等，都对本工作进行了专栏报道。

[2] 将对称场暗能量约束提高六个数量级以上      

Peiran Yin*, Xiangyu Xu*, Kenan Tian*, Shaochun Lin†, Yuanji Sheng, Chengjiang Yin, Dingjiang Long, Chang-Kui Duan, Pu Huang†, Jian-hua He†, and Jiangfeng Du†.  Detecting Symmetron Dark Energy Through Magnetically Levitated Force Sensors. Nat. Astron. 9, 598-607 (2025)

对称场是另一类重要的暗能量候选。它通过自发对称破缺机制，在高密度物质中几乎“沉默”，在低密度真空中则可能被激活并产生第五种力。相较于变色龙模型等竞争理论，它是更自然的暗能量理论候选者。针对对称场模型特点，我们设计了低屏蔽的超薄测试质量和源质量结构，在亚毫米尺度上实现了迄今为止最高的力探测精度，填补了该尺度上对称场暗能量的实验检验的空白。最终，我们成功地在三维参数空间内将该模型参数的限制提升了六个数量级以上。该工作获《自然·天文学》Research Briefing专文解读，进一步确立了磁悬浮力传感器在暗能量实验检验中的独特能力。

[3] 搜寻自旋、速度与质量相关的新奇相互作用

Kenan Tian*, Yuanji Sheng*, Rui Li*, Lei Wang*, Peiran Yin†, Shaochun Lin, Dingjiang Long, Chang-Kui Duan, Xi Kong, Pu Huang†, and Jiangfeng Du†. Constraints on Velocity and Spin Dependent Exotic Interaction at the Millimeter Scale with a Diamagnetic-levitated Force Sensor.  Phys. Rev. Lett. 134, 111001 (2025)

如果自然界存在新的轻玻色子，它们可能在电子自旋与普通物质之间传递一种同时依赖自旋和相对运动速度的“第五种力”，并成为暗物质或超越标准模型物理的线索。这类信号在毫米尺度长期缺少高精度的直接力测量。我们将自旋源的周期运动转化为特定频率的微弱力信号，再由低耗散磁悬浮振子进行共振探测，首次以悬浮力传感器在0.15—1.5毫米范围搜寻此类相互作用，并在0.5毫米作用程处将耦合强度上限推进三个数量级。

二. 让悬浮磁体成为新型超灵敏磁力计

现有超灵敏磁测量主要依赖SQUID、原子磁力计和固态自旋传感器。我们探索了一条不同的技术路线：直接把一块宏观铁磁体悬浮起来，将它既作为磁场的感受元件，也作为高品质力学振子。

[1]   Yuanji Sheng*, Yingchun Leng*, Kenan Tian, Rui Li, Yiming Chen, Dingjiang Long, Siwen Chen, Xuan He†, and Peiran Yin†. Levitated Milligram-scale Ferromagnetic Magnetometer at Room Temperature. Phys. Rev. Appl. 25, 024090 (2026).

这一装置可以理解为一枚“悬浮的微型指南针”：硬铁磁体内部含有宏观数量、由交换作用锁定的电子自旋，微弱磁场会对其施加力矩；磁悬浮则消除了机械支撑引入的摩擦和耗散，使极其微小的转动能够被高精度读出。通过磁体与悬浮势阱的几何优化，以及对涡流、磁滞等多种耗散通道的系统抑制，我们在室温百赫兹频段实现了23 fT/√Hz的磁场探测灵敏度，并预计经过适度技术改进即可进入亚飞特水平。该工作为超灵敏磁测量提供了一条区别于SQUID和原子磁力计的新路线，可面向生物磁信号、材料磁性、暗物质以及自旋相关新物理研究。

三. 悬浮精密测量系统的技术研发与应用

[1] 无透镜读取亚毫米悬浮振子的热运动

Fang Xiong*, Peiran Yin*, Tong Wu, Han Xie, Rui Li, Yingchun Leng, Yanan Li, Changkui Duan, Xi Kong†, Pu Huang†, and Jiangfeng Du†. Lens-Free Optical Detection of Thermal Motion of a Submillimeter Sphere Diamagnetically Levitated in High Vacuum. Phys. Rev. Appl. 16, L011003 (2021).

毫米和亚毫米悬浮振子的位移通常极小。如何在不引入额外机械连接和测量反作用的情况下读出运动，是走向精密测量的第一道关。我们提出无透镜光学读出方案，在室温高真空中直接观察到直径0.5毫米悬浮小球的热运动，实现了9.7×10⁻¹⁰ g/√Hz的加速度灵敏度，较当时已报道的悬浮力学系统提高一个数量级以上。该工作奠定了后续暗能量和新相互作用实验的测量基础。

[2] 通过导电几何设计将机械耗散降低约50倍

Han Xie*, Yanan Li*, Rui Li*, Yinchun Leng, Yiming Chen, Lei Wang, Dingjiang Long, Xiang Bian, Chang-Kui Duan, Peiran Yin†, Pu Huang and Jiangfeng Du†. Suppressing Mechanical Dissipation of Diamagnetically Levitated Oscillator via Engineering Conductive Geometry. Phys. Rev. Res. 5, 013030-1 (2023).

悬浮并不自动意味着低耗散。热解石墨虽然能够提供稳定的抗磁悬浮，但振子运动时会在导电材料内部激发涡流，持续抽走机械能，同时产生限制测量灵敏度的热噪声。我们从涡流回路的几何本质出发，通过刻蚀和分割导电路径，在保留悬浮能力的同时显著抑制大尺度环流，将室温高真空下的机械耗散降低约50倍。

[3] 利用拓扑涡环实现悬浮微粒的稳定操控

Peiran Yin*, Rui Li*, Zizhe Wang, Shaochun Lin, Tian Tian, Liang Zhang, Longhao Wu, Jie Zhao, Changkui Duan, Pu Huang†, and Jiangfeng Du†. Manipulation of a Micro-­Object Using Topological Hydrodynamic Tweezers. Phys. Rev. Appl. 12, 044017 (2019).

构建了抗磁悬浮实验系统，在大气环境中，利用微气流拓扑涡环实现了悬浮微米颗粒的稳定束缚与具有拓扑保护性质的转移操控。

[4] 构建0.5—21 Hz宽范围可调谐悬浮力传感器

Dingjiang Long, Kenan Tian, Han Xie, Yiming Chen, Yuanji Sheng, Peiran Yin†, and Pu Huang. Diamagnetically Levitated Force Sensor with Adjustable Natural Frequency Between 0.5 Hz and 21 Hz. J. Appl. Phys. 137, 214501 (2025)

超灵敏力传感器通常希望降低固有频率，以增强对低频外力的响应；但频率过低又容易失稳，而且不同待测信号往往分布在不同频段。我们通过调节磁体阵列与悬浮振子的几何关系，直接改变磁—重力势阱的曲率，提出并实验验证了一套宽范围频率调谐方案，理论设计范围覆盖0.5—21 Hz。

[5] 面向超低频水声探测的全光学六轴力传感器
发明专利：一种基于抗磁悬浮原理的水下全光学六轴力传感器

我们提出将抗磁悬浮振子直接置于水介质中，以无接触磁势阱提供六自由度柔性约束，再通过光纤全光学方式读取三维平动和三维转动，从单个悬浮单元反演六轴受力。