Neue Experimente zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit könnten Physiklehrbücher neu schreiben

Forscher haben Quantensensoren eingesetzt, um neue molekulare Wechselwirkungen über sehr kleine Entfernungen zu erforschen und dabei bahnbrechende Ergebnisse zu liefern, die den Anwendungsbereich des Standardmodells in der Physik erweitern.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Akademikers Du Jiangfeng und Professor Rong . Spinquantensensoren zur Untersuchung exotischer spingeschwindigkeitsabhängiger Wechselwirkungen (SSIVDs) in kurzen Kraftbereichen. Ihre Studie berichtet über neue experimentelle Ergebnisse im Zusammenhang mit Elektronen-Spin-Wechselwirkungen und wurde in der Fachzeitschrift 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 Teilchen als Diffusionsgeräte fungieren und neue Wechselwirkungen zwischen Teilchen des Standardmodells übertragen 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 ein Versuchsgerät, das mit zwei Diamanten ausgestattet war. Auf der Oberfläche jedes Diamanten wurde mittels chemischer Gasphasenabscheidung eine hochwertige Anordnung von Stickstofffehlstellen hergestellt. Der Elektronenspin in einer Gruppe der Stickstofffehlstelle fungiert als Spinsensor, während die andere als Spinquelle fungiert.

Die Forscher suchten nach neuen Wechselwirkungseffekten zwischen geschwindigkeitsabhängigen Elektronenspins 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 gelang den Forschern der erste experimentelle Nachweis im Kraftbereich von weniger als 1 cm bzw. weniger als 1 km und gewann wertvolle experimentelle Daten.

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, Materialbewertungsschreiben.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.180801