精密计数秤

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副研究员等在量子精密测量和检验超越标准模型领域取得重要进展，利用自主研制的量子自旋放大技术实现了对一类超越标准模型的宇称破缺相互作用的超灵敏检验，实验结果提升国际纪录至少5个数量级，弥补了现有天文学观测的空白。相关研究成果于1月6日以“Search for exotic parity-violation interactions with quantum spin amplifiers”为题在线发表于国际学术期刊《Science Advances》上[Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。粒子物理标准模型是20世纪物理学建立的最伟大的模型之一。然而，尽管标准模型取得了巨大的成功，但许多物理现象如暗物质、暗能量、中微子振荡、正反物质不对称性等无法被很好解释。为此，许多理论预言了可能存在超越标准模型的新轻玻色子，如轴子、暗光子、Z玻色子等，其可以作为暗物质的候选粒子，补充现有的标准模型理论。这些新粒子的能量可能跨度几十个量级的范围。对于低能区的新粒子 (远小于1eV)，更加凸显出粒子的波动性，它们的德布罗意波长甚至要比现在的大型对撞机还要大，因此不适于使用粒子对撞器与加速器等高能装置进行研究。量子传感器如原子磁力仪、原子钟弥补了高能装置对这类超轻暗物质候选粒子的探测空白，但因这些新粒子与标准模型内粒子的相互作用十分微弱，亟需一种高灵敏度的量子传感器对标准模型外的新物理进行研究。图1 检验新相互作用的实验装置和相应的磁探测灵敏度。 　彭新华教授研究组利用近期发展的量子自旋放大器技术(图1A)[Nat. Phys. 17, 1402–1407 (2021)]，实现了对待测磁信号2个数量级的放大(图1B)，并将其应用于超越标准模型的新粒子与新相互作用的搜寻，在国际上提出了“蓝宝石”研究计划，英文缩写SAHPPHIRE(SpinAmplifier for Particle PHysIcs REsearch)。该计划的首批实验约束了一种由Z玻色子诱导的自旋相互作用，如图1C所示，此类奇异相互作用是宇称不守恒的，其强度正比于自旋源内的电子自旋数量。因此本实验采用了两个原子气体室，一个利用惰性气体氙原子作为自旋传感器，一个利用碱金属铷原子作为自旋源。自旋源内的碱金属原子通过激光泵浦实现约1014的电子极化自旋数量，并由泵浦光间断极化，从而产生一个交流的震荡奇异场作用于量子自旋传感器上，并被进一步放大和探测。相较于其他应用于新物理搜寻的共振技术，量子自旋放大器中的铷原子充当嵌入式磁强计，实现了惰性气体氙原子的连续极化和原位测量。相比之下，原位测量提供的一个显著优势是由于大费米接触放大因子而增强核共振信号。此外，由于氙核自旋通过与极化铷原子的自旋交换碰撞而连续极化，自旋放大器可实现对奇异场的连续搜索。由于这些独特的优点，自旋放大器更适用于奇异相互作用的超灵敏连续波检测。正因如此，本实验对电子与中子之间的宇称破缺奇异相互作用的约束较国际前沿实验界限提高了5个数量级(如图2A)，且对中子与质子之间的奇异相互作用进行了首次探索(如图2B)。不仅如此，SAPPHIRE计划仍有很大的性能提升空间，研究人员提出利用K-3He自旋放大器与固体自旋源，有望将对此类奇异相互作用的实验约束界限进一步提升8个量级。 图2 新奇相互作用实验界限。审稿人对这一工作有高度评价：“The result is a clearly a major improvement for the field”(该领域的一个重大提升)，“What is particularly remarkable about these results is that they have established strong new constraints, which have improved prior bounds by several orders of magnitude, in a region of parameter space where there are little or no constraints from astrophysics ”(该实验最引人注目的是在一个几乎没有天体物理学约束的参数空间区域建立了强有力的新约束，将先前的约束提高了多个数量级)。这一成果展示了SAPPHIRE计划下量子精密测量技术与粒子物理学研究的有机结合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生王元泓和黄颖为该文共同第一作者，彭新华教授和江敏副研究员为该文共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。

很多人都做过CT检查，但您知道“工业CT”吗？在高精尖领域，很多精密部件都需要这类仪器来检测内部质量。要做这类产品的“把关人”可并不容易，安徽一家做特种电源的专精特新企业解决了这一难题，一起来看一看他们的绝活。放好检测物品后，工作人员将沉重的铅门关好，迅速撤离以避免遭遇辐射。铅门背后就是释放辐射的主角——微焦点X射线源，它被称为“工业CT”，可以对新能源汽车、芯片、半导体等领域的精密部件进行无损扫描，检测其内部是否有缺陷。合肥博雷电气有限公司副总经理 高龙：X射线可以实现电池内部所有的缺陷检测，确保动力电池装上车时零缺陷。由于技术受制于人，一段时间以来，国内相关设备的检测精度约为五微米，但对于芯片、半导体等精密制造行业，如果小于五微米的瑕疵没被发现，就会影响产品的性能和质量。市场的号角已经吹响，合肥博雷电气有限公司董事长刘凯带领企业加快研发速度。就在上个月，他们成功研制出国内第一台160千伏的微焦点X射线源，将检测精度缩小到了两微米。合肥博雷电气有限公司董事长 刘凯：特别是在芯片领域，两微米以下的缺陷检测能大大提高芯片生产的成品率。从五微米到两微米，技术突破的关键之一，在于使高电压输出稳定的微焦点X射线。由企业自主研发的变压器解决了这一难题。但这种变压器的生产并不容易，即使在工业自动化普及的当下，其绕线工艺也只能由手工完成。合肥博雷电气有限公司总工程师 印长豹：必须通过手工才能控制最关键的一些参数，一毫米的误差可能会导致整个产品失效。经过精确的缠绕，他们的变压器电压最高可达到350千伏，相当于城市居民用电的一千多倍。本期专精特新绝活：做好“把关人”，守好品质门。突破封锁勇争锋，潜心修炼匠人心；跨越高压电源技术坎 ，焕发精密制造生命力。

近日，中国船舶集团七〇四所自主研制的超精密行星滚柱丝杠导程误差动态测量仪取得成功。经计量技术机构验证，其技术指标达到国际先进水平，七〇四所在科技自立自强的道路上，又迈出了坚实一步！超精密行星滚柱丝杠导程误差动态测量仪面临技术难题 行星滚柱丝杠是船舶、大型电站、冶金行业等领域高端装备的核心功能部件，随着所内行星滚柱丝杠产品不断推广应用，对其产品性能提出了更高的要求。 导程误差动态测量仪用于检测行星滚柱丝杠的导程误差，而行星滚柱丝杠的导程精度又直接影响丝杠螺母的直线移动位置的重复精度。 然而，国内鲜有导程误差动态测量仪，大多使用静态轮廓仪测量数据替代，难以准确描述螺纹全螺线的导程误差，且高精度轮廓仪长期依赖进口。自主研制成功 因此，为了满足行星滚柱丝杠的生产需要，针对国内导程误差动态测量仪定位精度低、自动化程度不足等难题，七〇四所自主设计并成功研制了超精密导程误差动态测量仪。 该导程误差动态仪采用空气静压导轨，是一台超精密多参数的复合动态测试仪器。技术团队在研发过程中攻克了精密气浮移动平台设计技术、精密主轴驱动技术、高同步性数据采集、浮动自适应测头设计等多项关键技术，并不断的优化设计与精密制造装配，最终获得了仪器的研发成功。 该导程误差动态测量仪导程为3000mm，测量精度优于±2μm，达到了国际先进水平。 超精密导程误差测量仪的成功研制不仅为七〇四所行星滚柱丝杠产品提供了可靠、有效的检测手段，提升了行星滚柱丝杠产品的市场竞争力，进一步推动了该产品的产业化发展，还可以作为新一代电驱化、智能化装备的核心传动部件的高精度测量设备，为其他相关企事业单位提供测量服务，进一步助力海洋强国建设。