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和丹麦玻尔研究所等多家科研机构联合开展的一项研究成果，成功利用自旋量子传感器的应力效应在高频范围内测试了基本物理常数的变化。这项研究首次在0.1至12 GHz的高频率范围内，对精细结构常数和电子质量的相对变化进行了严格约束，最佳约束分别达到了百万分之五和百万分之八的灵敏度。相关成果以“Search of High-Frequency Variations of Fundamental Constants Using Spin-based Quantum Sensors”为题发表于《国家科学评论》，为探索新物理和暗物质提供了全新思路。                                       

图 1 (A) NV中心作为量子混合器，将变化信号与偏置交流场混合。(B) 实验示意图。

基本常数（如精细结构常数和电子质量）是描述自然界基本规律的重要参数，其可能的变化与暗物质、额外维度以及超越标准模型的粒子物理理论密切相关。然而，现有实验技术主要聚焦于低于0.1 GHz的频率范围，高频下的基本常数变化测试一直是实验物理领域的难题。此次研究团队利用金刚石中的氮-空位（NV）色心自旋量子传感器，突破了传统实验的技术瓶颈。NV色心是一种高度灵敏的量子传感器，具有优异的相干特性和对磁场、温度等物理量的高灵敏度。在实验中，研究人员通过量子混频技术驱动NV色心，精确测量其能级差异，并以此推断精细结构常数和电子质量的高频变化。这一创新方法填补了高频范围内基本常数变化测试的空白。

图 2 基本常数变化的上限

实验结果显示，在0.1至12 GHz的频率范围内，精细结构常数和电子质量的变化最优分别被限制在百万分之五和百万分之八以内。这一精度显著提高了人类对高频基本常数变化的认识，并为相关理论模型提供了重要实验依据。此外，基于实验数据，研究团队还对标量场暗物质的耦合常数设定了严格的上限，覆盖了从0.4 meV到50 meV的质量范围。这一结果为暗物质的实验搜索提供了全新视角，并拓展了利用量子技术探测宇宙暗物质的可能性。

图 3 标量场暗物质的场质量mϕ和康普顿频率作为耦合参数Λγ-1和Λe-1的约束条件。

这项研究展示了自旋量子传感器在高频物理领域的巨大潜力。实验中使用的单个NV色心已经实现了高精度测量，如果利用含有大量NV色心的金刚石样品进行实验，可将灵敏度提升数万倍，从而对更高频率和更小变化的基本常数进行测试。随着电子自旋共振技术的不断发展，预计这一方法的频率范围可进一步扩展至10 THz甚至更高。这将为研究暗物质、额外维度以及其他超越标准模型的物理现象提供更强有力的工具。

南京大学物理学院副教授孔熙，研究生张宇珂、纪晨宇、常双聚为共同第一作者，南京大学物理学院黄璞教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、江苏省科技厅等的资助，同时得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、人工微结构科学与技术协同创新中心e-Science中心等的支持。

文章链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf085/8063943