在以男性科學家為主物理科研圈中，彭新華是一抹亮麗的柔彩。出生於湖南小城，德國留學、工作後歸來，回國入職中科大六年後，獲得國家傑青。
圖 | 彭新華（來源：彭新華百科）
11 月 18 日，她帶領課題組聯手合作伙伴，
開發出
新型超靈敏的量子精密測量技術，並利用該技術進行暗物質的實驗直接搜尋，首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限
，實驗結果此前國際最佳水平高出至少 5 個數量級。
具體來說，她所負責的中國科大中科院微觀磁共振重點實驗室核磁共振量子資訊課題組，聯合德國亥姆霍茲研究所德米特里·巴克爾（Dmitry Budker）教授團隊，研發出上述新技術，實現了對暗物質實驗的直接搜尋。
相關論文以《用自旋放大器尋找類軸子暗物質》（Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers）為題，發表在Nature Physics上［1］。
圖 | 相關論文（來源：Nature Physics）
中科院微觀磁共振重點實驗室副研究員江敏、以及博士生蘇昊文，擔任論文共同第一作者，彭新華則是通訊作者。
宇宙含有 85% 左右暗物質，人類對其卻知之甚少
天文學研究間接表明，暗物質是宇宙物質中的絕大組成部分，大約佔 85%，普通物質則只佔 15% 左右。
那麼，暗物質究竟是什麼？暗物質粒子的性質又是什麼？對此人們甚少了解。
大量理論提出，弱相互作用大質量粒子、軸子、暗光子等是暗物質的熱門候選粒子。為研究這些神秘的粒子，各國相關機構先後成立國家級、乃至世界級的暗物質探測計劃，譬如 ADMX、CAST、GNOME 等。
宇宙的浩瀚超人想象，即便人類付出了不少努力，但仍未找到暗物質存在的直接證據。
而本次研究要解決的問題在於，儘管有天體物理證據表明暗物質存在，但尚未能直接檢測到任何暗物質和標準粒子系統的相互作用，並且目前的實驗搜尋靈敏度還遠低於國際公認最強的宇宙天文學界限。
而暗物質的發現，可讓人類可以更好理解宇宙，並能帶來常規粒子體系之外的天體物理學和宇宙學見解。
暗物質世界中有各種候選粒子，其中弱相互作用的大質量粒子在過去四十年裡引起了最多關注。儘管有許多提高靈敏度的實驗，但尚無實驗可證明大質量粒子存在的特徵，而來自中微子底部的背景噪聲，會給弱相互作用粒子的搜尋靈敏度帶來較大的限制。
作為一種從解決強 CP（Charge Parity，電荷宇稱）破缺研究中提出的新粒子，軸子是另一種暗物質的極佳候選粒子。但是，傳統的粒子物理探測技術比如粒子對撞技術，無法用於超輕質量範圍的軸子搜尋。
最近，軸子-核子的相互作用引起了科學家們的注意。其中，軸子可以產生一個時間振盪的磁場和核自旋耦合，利用核磁共振技術進行相關實驗，即可直接探測軸子-核子之間的相互作用強度。
研發基於核自旋量子測量的技術，兼具超高靈敏度和“桌面式”特徵
工欲善其事，利其器。為更好搜尋暗物質，彭新華團隊藉助氣態氙和銣原子混合蒸氣室，發明出新型超靈敏量子精密測量技術，這是一種基於核自旋量子測量的技術，兼具超高靈敏度和“桌面式”特徵。
圖 | 該研究提出的自旋放大器基本原理（左）；超靈敏磁場放大效應（右）（來源：Nature Physics）
該測量技術基於一種全新自旋放大效應：即在外界待測磁場的頻率約等於氙原子的塞曼頻率時，氙原子會把待測磁場的強度起碼放大 100 倍。藉助該技術，他們實現了截止目前全球靈敏度最好的核自旋磁感測器。
和以往機制完全不同的是，這種新型放大機制具備兩大優勢：
其一，使用鐳射先極化銣原子蒸氣，再借助銣和氣態氙原子的自旋交換碰撞，即可把氙原子核自旋進行極化，自旋極化度為 0。3，遠超傳統方法的~10-6。
其二，相比傳統的對氙原子進行外部探測的方法，該工作僅利用銣原子和氙原子在氣室內部隨機自旋交換碰撞，即可高靈敏地讀出氙原子的訊號，裝置體積和複雜度得以大大簡化。
在上述物理機制之下，該團隊造出首臺磁場量子放大器——自旋放大器（spin-based amplifier），由於具備超低磁場本底噪聲，所以它是極佳的磁場放大裝置。
結合這款自旋放大器，該團隊將此前發展出的原子磁力計的磁探測靈敏度提高了 100 倍，靈敏度達到 fT 水平（1fT=10-15T）。
圖 | 靈敏度達到 fT 水平（來源：Nature Physics）
據悉，
由於可實現超高靈敏度的磁場探測，因此在暗物質搜尋中，量子精密測量技術可提供一項變革性手段。
此前已有大量理論預測，原子核能和暗物質產生極其微弱的作用，進而會給原子核自旋施加微小的磁場也叫贗磁場。
當使用超靈敏磁場探測裝置，即可對微小贗磁場進行檢驗，從而去探尋暗物質粒子的存在跡象。
基於此，藉助自旋放大器去對暗物質產生的“贗磁場”進行放大，即可提升暗物質的搜尋靈敏度。在實驗中，研究組直接搜尋了 feV-peV 低能區暗物質，得到的暗物質與原子核耦合強度界限，
比國際最佳界限起碼高出 5 個數量級，宇宙天文學界限得以被首次突破。
與此同時，相比傳統大型暗物質科學裝置，該研究使用的儀器裝置僅需要桌面尺寸大小的空間。
圖 | 該研究的暗物質搜尋結果：暗光子與原子核的耦合界限（左），軸子與原子核的耦合界限（右）（來源：Nature Physics）
同時，該團隊的實驗透過暗光子電場與暗電偶極矩（dEDM）的耦合，限制了核與暗光子的自旋相互作用。
相關方法還可擴充套件到同步感測器網路，由於實驗中使用的裝置規模小、價格低廉，因此這種感測器網路有希望為多信使天文學組成一個奇異場望遠鏡陣列，比如透過感測器數量的平方根提高靈敏度，並允許區分奇異物理訊號和偽噪聲。此外，將這種網路中多個感測器的讀數關聯起來，還可幫助解決玻色子暗物質的隨機波動問題。
對於該研究三位審稿人分別評價稱：“該原創工作將激發軸子搜尋和天文觀測領域的廣泛興趣”，“是軸子搜尋領域的重要進展”，“這個結果將引起物理學家的廣泛興趣”。
概括來說，該研究是暗物質探測和量子精密測量技術的交叉融合，或將激發人類對於粒子物理學、宇宙天文學、和原子分子物理學等學科的興趣。超高靈敏度的極弱磁場測量變革性新技術的發展，除了他們在這個研究中基礎物理方面的應用外，未來極有希望應用於腦磁和心磁的診斷、深空磁探測、國防安全等重要領域。
冰凍三尺非一日之寒，此前已有較多積累
多年來，彭新華團隊專注於研究核磁共振體系量子資訊處理，已係統性研究了量子精密測量、量子模擬、量子計算、量子控制等重要課題。
一開始，他們使用外購的商品化儀器，後面開始自力更生即自主搭建量子精密測量平臺，從源頭上提高原創性，也給攻克相關難題提供了獨闢蹊徑的思路。比如，近年來使用量子精密測量技術來搜尋新粒子，已讓該團隊斬獲多項全球領先的成果。據悉，彭新華團隊近期利用超靈敏量子測量技術開展了“第五種力”的實驗搜尋，獲得了國際上最強的Z’波色子的約束界限，該研究成果也於 11 月 17 日發表在Science Advances［2］。透過該團隊的這些成果，中國在新粒子探測領域的國際地位得以提高。
此前，她帶領團隊在全球範圍內率先開展了絕熱量子模擬的實驗研究，並且還是量子計算分解質因數最大數的國際紀錄保持者。2015 年，她和團隊第一次實現了對於虛磁場中“李-楊零點”的探測，“李-楊零點”於 20 世紀下半葉由華裔科學家李政道和楊振寧提出，六十多年來一直被認為只存在在理論中、非物理的概念。
當年，她還獲得第十二屆“中國青年女科學家獎”，據悉，是
安徽省第二位獲此殊榮的科學家。
圖| 研究歷程以及取得的重要研究進展（來源：中科大）
彭新華生於湖南嶽陽，本科畢業於湖南師範大學物理系，後獲得中科院武漢物理與數學研究所博士學位。2003 年 8 月至 2005 年 8 月，以洪堡學者身份在德國多特蒙德大學做研究，此後繼續在德國做了幾年研究。
後來，她選擇回國並加入中科大。原因有二：其一，就研究量子資訊來說，這裡的起點高、實力強，
潘建偉院士、杜江峰院士和郭光燦院士的三支團隊
已成為科大量子成果的名片；其二，她所在的校區位於合肥，雖然不是北京、上海那樣的大城市，但她很喜歡這裡偏居一隅的科研環境。
由於在武漢讀過書，至今她仍和當地學者保持緊密合作。該論文發表的不久之前，她和華中科技大學呂新友教授的合作論文，也已發表在Nature Communications 上［3］，在那項研究中他們完成量子模擬領域的重要實驗。
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支援：張智
參考：
1。 Jiang， M。， Su， H。， Garcon， A。 et al。 Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers。Nat。 Phys。 （2021）。
2。 H。 Su， Y。 Wang， M。 Jiang， W。 Ji， P。 Fadeev， D。 Hu， X。 Peng， and D。 Budker。 Search for exotic spin- dependent interactions with a spin-based amplifier。SCIENCE ADVANCES， 7（47）：eabi9535， 2021。
3。 X。 Chen， Z。 Wu， M。 Jiang， X。-Y。 Lu ̈， X。 Peng， and J。 Du。 Experimental quantum simulation of super- radiant phase transition beyond no-go theorem via antisqueezing。Nature Communications， 12（1）：6281， 2021。