我室杜江峰院士、彭新华教授、江敏副教授研究组与合作者，在量子精密测量网络和暗物质探测领域取得重大进展，利用15台原子自旋磁力计构建了量子精密测量网络，首次开展了相距1700公里的暗光子暗物质关联探测，为4.1 feV-2.1 peV质量范围的暗光子动力混合系数提供最强的地面实验界限。该工作不仅为暗物质的直接探测提供了新的途径，也为物理学的基础理论研究开辟了新的方向。相关研究成果以“Long-Baseline Quantum Sensor Network as Dark Matter Haloscope”为题发表于国际学术期刊《自然·通讯》上[Nat. Commun. 15, 3331 (2024)]。
尽管在过去的80年里有天文学观测证据表明暗物质的存在，它与标准模型粒子和场的非引力相互作用依然没有发现证据。为了解决这一问题，人们提出了许多理论，认为在标准模型之外，存在着可能构成暗物质的新粒子，其中超轻玻色子是备受关注的暗物质候选粒子，例如轴子（Axion）和暗光子（Dark photon）。为了寻找这些粒子，科学家们实施了一系列的实验探测计划。对于暗光子，很多实验在不同的质量范围给出了实验界限，包括FUNK，SuperMAG，QUALIPHIDE，FAST, Dark SHINE和LIGO等。然而，在低于O(1) neV的质量范围，暗光子的实验探测主要还是通过天文学观测。由于天文学观测界限存在较大不确定度，发展高灵敏的实验室直接观测技术十分关键。
暗光子常见的探测方法包括了利用谐振腔和射电望远镜搜寻频率在1GHz附近的暗光子。然而这类探测方法对于更低质量的暗光子并不有效，尤其是在频率小于1kHz的时候。为了解决该难题，本文研究团队首次利用原子自旋磁力计在1Hz-1kHz范围搜寻暗光子激发的磁场，从而达到了过去无法探索的区域。在该实验中，原子自旋磁力计工作在SERF模式下，磁场的测量灵敏度达到15 fT/Hz1/2，相当于是地磁场强度的100亿分之一，为暗物质的极弱磁场信号探测提供新途径。
另一个对于探测暗光子暗物质激发磁场的必要条件是在一个电磁屏蔽系统内，如若没有这个屏蔽装置那么暗光子就算会激发信号也会相互抵消。该项工作开创性的想到了医学中常见的用于测脑电波的屏蔽房。这些医用屏蔽屋的优势在于其空间较大，三个边长都在两米左右，以此可以进一步放大暗光子诱导的磁场信号。该论文作者之一苏州医工所杨晓冬教授研究组和哈尔滨工业大学孙芝茵研究员提供了脑科学医用的屏蔽房（尺寸为2×2×2 m3，分布在苏州和哈尔滨两个城市，相距1700公里）并参与设计实验，为该项工作的实验顺利开展提供重要支撑。
暗物质探测另一个难点是如何降低环境噪声对探测器的干扰，包括环境磁噪声、供电干扰、地铁磁干扰等。为了解决该难题，利用暗光子在德布罗意波长（大于地球尺寸）内具有相干性的特点，该工作提出将探测器分散到不同的城市，环境噪声主要来自屏蔽室的共模噪声，将磁力计分布在不同的屏蔽室内显著降低共模噪声对于探测灵敏度的影响。最终，该量子精密测量网络通过GPS同步测量和精确的数据分析，完成了对4.1 feV-2.1 peV质量范围内暗物质的直接实验搜寻，获得的暗光子动力混合系数界限（5×10-6）超过先前所有的地面实验。
图1:（a）量子精密测量网络，苏州以及哈尔滨两个站点相距1700km。（b）探测站点内探测器的空间分布，暗光子产生的等效磁场Radio B-field沿水平方向，为了实现最大的暗光子信号，原子自旋磁力计安装在屏蔽房的墙上。（c）原子自旋磁力计的工作原理。
我室江敏副教授、博士研究生洪太周和我校胡东栋工程师为该文共同第一作者，我校彭新华教授、北京大学舒菁教授、美国犹他大学赵悦副教授为该文通讯作者，共同作者尼尔斯·玻尔研究所陈一帆博士后、犹他大学杨丰维博士为该工作提供理论计算以及数据分析，该研究得到了科技部、国家自然科学基金委等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47566-0
