Neue Experimente zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit könnten Physiklehrbücher neu schreiben

Forscher haben mithilfe von Quantensensoren neue Teilchenwechselwirkungen in mikroskopischen Entfernungen erforscht und dabei bahnbrechende Ergebnisse geliefert, die den Anwendungsbereich des Standardmodells in der Physik erweitern.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Akademikers Du Jiangfeng und Professor Rong Spin-Quantensensoren zur Untersuchung abhängiger exotischer Wechselwirkungen auf Rotationsgeschwindigkeiten (SSIVDs) in kurzen Leistungsbereichen. Ihre Studie berichtete über neue experimentelle Ergebnisse im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen zwischen den Spins von Elektronen und wurde in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Das Standardmodell ist ein äußerst erfolgreiches theoretisches Rahmenwerk der Teilchenphysik, das grundlegende Teilchen und vier grundlegende Wechselwirkungen beschreibt. Allerdings kann das Standardmodell einige wichtige Beobachtungstatsachen der aktuellen Kosmologie, wie etwa dunkle Materie und dunkle Energie, immer noch nicht erklären.

Einige Theorien deuten darauf hin, dass die neuen Partikel als Diffusoren wirken und neue Wechselwirkungen zwischen Partikeln des Standardmodells bewirken könnten. Derzeit mangelt es an experimenteller Forschung zu neuen geschwindigkeitsbezogenen Wechselwirkungen zwischen Zyklen, insbesondere im relativ kleinen Kraft-Abstand-Bereich, wo eine experimentelle Überprüfung nahezu nicht vorhanden ist.

Experimentelle Ergebnisse der Studie. Quelle: Du et al.

Versuchsaufbau und Methodik

Die Forscher entwarfen einen Versuchsaufbau, der mit zwei Diamanten ausgestattet war. Auf der Oberfläche jedes Diamanten wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung ein hochwertiges Stickstoff-Leerstellen-Array (NV) vorbereitet. Der Elektronenspin in einer NV-Gruppe fungiert als Spinsensor, während die andere als Spinquelle fungiert.

Die Forscher suchten nach neuen Wechselwirkungseffekten zwischen dem geschwindigkeitsabhängigen Spin von Elektronen auf der Mikrometerskala, indem sie die Spinquantenzustände und Relativgeschwindigkeiten zweier Diamant-NV-Cluster kohärent manipulierten. Zunächst verwendeten sie einen Spinsensor, um die Wechselwirkung eines magnetischen Dipols mit einer Spinquelle als Referenz zu charakterisieren. Als nächstes maßen sie die SSIVDs, indem sie die Vibration der Spinquelle modulierten und eine Verriegelungserkennung und eine orthogonale Phasenanalyse durchführten.

Für zwei neue Reaktionen konnten die Forscher erstmals experimentelle Nachweise im Kraftbereich unter 1 cm bzw. unter 1 km durchführen und wertvolle experimentelle Daten gewinnen.

Wie der Herausgeber feststellt: „Die Ergebnisse bringen der Quantensensorik neue Erkenntnisse für die Erforschung grundlegender Wechselwirkungen, die die kompakten, flexiblen und empfindlichen Eigenschaften des Festkörperspins nutzen.“

Referenz: „Neue Einschränkungen exotischer spingeschwindigkeitsabhängiger Wechselwirkungen mit Festkörperquantensensoren“ von Yu Huang, Hang Liang, Man Jiao, Bai Yu, Xiangyu Yi, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Zhang-Kui Duan, Ya Wang, Xingrong und Jiangfeng Du, 30. April 2024, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.180801