近日，南京大学物理学院黄璞教授团队与中国科学技术大学研究团队合作，利用磁悬浮力传感器在毫米尺度上首次实现了对自旋-质量-速度新奇相互作用的高精度探测，将耦合常数的实验约束提升了超过三个数量级。相关研究成果以“Constraints on Velocity and Spin Dependent Exotic Interaction at the Millimeter Scale with a Diamagnetic-Levitated Force Sensor”为题，于3月18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。 

大量理论预言了超越标准模型的新相互作用的存在，它们通过轴子、类轴子、暗光子等轻玻色子来传递，这些玻色子对了解暗物质的本质提供了线索。近年来，对新奇相互作用进行实验搜寻成为研究重点。其中一种重要模型预测，电子自旋与普通物质之间可能存在与相对运动速度相关的新奇相互作用。然而，当前该模型的实验探测在亚毫米至毫米尺度仍面临技术挑战：传统扭秤实验的探测精度在毫米以下急剧下降，而基于金刚石氮空位色心量子传感器的探测则主要聚焦于微米距离尺度。因此，毫米尺度成为实验检测的“盲区”，亟待高精度探测技术的突破。 

针对这一挑战，研究团队创新性地开发了磁悬浮力传感器系统，结合旋转自旋源的设计，成功实现了毫米尺度微弱力的高精度探测（如图1左）。该系统核心为悬浮于磁阱中磁悬浮力探测器，其上方放置了一片蓝宝石晶体作为感受新奇相互作用的探测质量。并且，研究团队创新设计了由永磁体、铁层和μ金属层构成的旋转自旋源，通过周期性改变电子自旋分布产生预期的新奇相互作用信号。实验采用双测量模式（“信号开-关”对比），结合磁屏蔽、振动隔离和静电屏蔽技术，将背景噪声抑制至热力学极限。最终在30,000秒的连续观测中未检测到显著信号，从而对耦合常数gAegVN给出了新的实验约束界限（如图1右）。该约束覆盖了0.15-1.5毫米的作用范围，填补了该尺度参数空间的长期空白。其中，在λ=0.5毫米处，该实验确立了耦合常数gAegVN< 4.39 * 10-26，较此前最优结果提升了超过3个量级。 

图1. 基于磁悬浮力探测器的实验系统示意图（左），该实验给出的自旋-质量-速度新奇相互作用的参数约束区间（右）

该研究不仅为新奇相互作用的实验探测提供了新思路，还展示了磁悬浮力学系统在精密力测量领域的巨大潜力。研究团队指出，未来通过低温冷却（至3K）、降低涡流损耗、增加传感器质量等手段，有望进一步将耦合常数的检测精度提升至 10-28 量级。此外，该平台可拓展至其他自旋相关相互作用的探测，如电子间新奇自旋-自旋相互作用，为超越标准模型的新物理探索开辟了新的路径。 

南京大学物理学院的硕士研究生田柯楠、硕士研究生盛元纪、博士后李睿、博士研究生汪磊为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省科学技术厅的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.111001