宇宙约27%是暗物质,看不见,却有引力效应。轴子是热门候选:质量极小,几乎不和普通物质反应,数量却可能极多。找它,像早高峰地铁里听旁边人耳语。如果轴子真是暗物质,它会和电子有极微弱“握手”,在电子自旋上产生假磁场。不是真磁场,但电子感觉一样。问题是用什么去感觉。
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传统方案用超导量子干涉仪,简称SQUID。它是最灵敏的磁传感器之一,能测地球磁场百亿分之一的信号。但它靠超导电流工作,不靠电子自旋。轴子假磁场偏偏只拨动电子自旋。SQUID再灵也感觉不到。好比你有全世界最灵敏的麦克风,对方却用视频通话。
中国团队用锰锌铁氧体棒做“感受器”。里面全是电子自旋,对磁场极敏感。轴子假磁场过来,自旋被轻轻拨动,产生真实磁场信号。它像翻译,把看不见的假磁场翻成看得见的真磁场。再用SQUID当听诊器:信号经超导线送进去,精确读出变化。外面套超导磁屏蔽,挡住环境噪声。否则像在菜市场听针落地。 这套“超导-自旋混合磁强计”,在几十千赫兹频段做到亚100阿特斯拉每根号赫兹的灵敏度。换成人话:能测到的磁场变化,比地球磁场弱约一千亿倍。10天搜索,5到60千赫兹,轴子-电子耦合上限压到国际最严,比原纪录好一个数量级。
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暗物质探测是全球最卷赛道之一。美国ADMX用微波腔,欧洲CAST用大型磁铁加X射线探测器,各有盲区:微波腔只适合特定质量范围,大型磁铁灵敏度有天花板。5到60千赫兹卡在空窗:频率太低,环境噪声大;频率太高,现有自旋传感器跟不上。不是不想做,是缺一把合适的尺子。美国费米子轴子干涉仪覆盖2到100千赫兹,但灵敏度只有几个皮特斯拉每根号赫兹,比这次中国结果差约四个数量级。中国补的就是这个空窗。
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