近期，北京大學季偉助理教授與北京航空航天大學魏凱教授團隊合作，藉助超靈敏的 K-Rb-21Ne 共磁力儀對由軸子（axion）傳遞的自旋相關相互作用進行了測量。
研究團隊設計的磁力儀使用獨特的“軟磁環繞硬磁”結構以及定製設計的磁屏蔽結構，獲得了國際領先的實驗靈敏度。相關論文以《軸子傳遞的偶極偶極相互作用的極限》（Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions）爲題發表在 Physical Review Letters。北京航空航天大學博士畢業生徐子童是第一作者，季偉和魏凱擔任共同通訊作者。
圖｜相關論文（來源：Physical Review Letters）
軸子是一種非常重要的假想粒子，最初爲了解決強相互作用中的 CP 破缺問題而提出。後來，物理學家 J·E·穆迪（J. E. Moody）和弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）在 1984 年進一步提出：如果軸子存在，它可以在費米子之間傳遞一種全新的自旋相關相互作用。
這種相互作用不屬於標準模型描述的四種基本相互作用力——引力、電磁、強相互作用或弱相互作用，所以又被稱爲“第五種力”。因而軸子有可能揭示標準模型外的新物理。同時，軸子也被認爲是輕質量暗物質最熱門的候選粒子，爲宇宙中看不見的質量提供解釋。
自軸子被提出後，世界範圍內多個實驗室圍繞軸子進行精確搜索：包括有天文觀測手段像暗物質觀測衛星，地下實驗室中的高靈敏探測器，以及粒子對撞機等。然而長期以來，這些研究被限制在“軸子窗”之外的探測區域。軸子窗範圍大致在 1ueV 到 1meV 之間，對應的力程大約在 0.2 毫米到 20 釐米之間。
圖丨季偉（來源：季偉）
圖丨季偉（來源：季偉）
其原因在於實驗存在顯著的權衡：既要有效抑制來自自旋源的磁場泄漏，又要在亞分米尺度的距離上探測亞飛特斯拉量級的奇異物理信號。而在本研究中，研究工作者利用鐵屏蔽的 SmCo₅ 自旋源，並結合特製的自補償共磁力儀，開展了關於軸子介導的自旋相互作用的新實驗。
在實驗中，研究員將 SmCo₅ 永磁體結合軟磁外殼加工成微型自旋源，並由電機驅動旋轉，從而產生類似經典電磁場的信號。如果軸子介導的“第五力”存在，這個旋轉的自旋源同時會像天線一樣發射出由第五力產生的奇異電磁場信號。而在另一端，一隻精密的原子傳感器“耳朵”被豎起檢測電磁場信號。研究團隊使用的是 K-Rb-21Ne 共磁力儀，其可以感受到奇異電磁場效應，進而產生可被觀測到的自旋方向改變。
圖｜實驗探測原理（來源：Physical Review Letters）
該實驗的主要挑戰是常規磁場的泄漏強度要遠大於這種奇異信號。爲此，研究人員設計了複雜的屏蔽方案：利用由三種結構組成的複合磁屏蔽削減常規磁場，同時引入自補償模式，抵消共磁力儀對常規磁場的響應，但對異常信號仍保持極高靈敏度。季偉對 DeepTech 表示：“這些設計導致普通磁場被壓制了 11 個量級，而軸子‘第五力’信號卻不會被屏蔽。”
（來源：Physical Review Letters）
最終實驗沒有觀測到預期的第五力信號，但在 0.01meV–0.1meV 的軸子質量區間內，對電子自旋-中子自旋及電子自旋-質子自旋耦合常數給出了迄今最嚴格的實驗限制。在軸子質量約 0.02meV 處，較此前結果提升了超過 1 萬倍。
事實上，這並非團隊第一次在軸子物理領域取得突破。此前，季偉還與北京大學劉佳助理教授及北京航空航天大學魏凱教授合作團隊合作，在超輕暗物質的直接探測方面取得了重要突破。他們提出並實現了“混合自旋共振”（HSR，Hybrid Spin Resonance）新模式，相關論文以《利用共振耦合混合自旋系統尋找暗物質》（Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system）爲題發表在 Reports on Progress in Physics 上。北京航空航天大學魏凱教授和博士畢業生徐子童是共同第一作者。
圖｜相關論文（來源：Reports on Progress in Physics）
傳統的核磁共振方法在暗物質搜索中面臨掃描效率低、頻率覆蓋窄的瓶頸。研究團隊同樣巧妙利用 K-Rb-21Ne 共磁儀，調節鹼金屬與惰性氣體的耦合，實現了兩種原子自旋的共振狀態，從而把探測帶寬從 0.01Hz 擴展到 35Hz，大幅提升了覆蓋範圍和靈敏度。最終，他們在 0.01Hz 至 1kHz 內多個頻段給出了世界領先的限制，在部分區域甚至首次超越了天文學超新星爆發和中子星冷卻的觀測限制。
與最新的“第五力”研究相比，該研究關注的是軸子作爲暗物質候選者被直接探測。而“第五力”研究則將軸子視爲假想粒子，探索其作爲新相互作用的傳遞者可能留下的痕跡。但最終的目的都是爲了探索標準物理模型之外的新物理。
而這類實驗也在不斷推動技術的極限。論文中指出，這次開發的複合磁屏蔽和自補償共磁力儀，不僅適用於新物理的探索，還可能轉化到生物和化學研究中。例如零磁場核磁共振，就需要在強磁場與極低磁場間切換，而團隊的屏蔽設計能大幅縮短切換時間，減少信號衰減。季偉指出，該裝置的原理也可被應用於極弱磁測量例如腦磁、心磁，目前已經有團隊開始研究這方面的產品。此外，該裝置也可被放置於空間站上進行基礎物理方面的研究。
值得一提的是，該團隊不僅在軸子介導的新型相互作用研究中取得重要進展，還在自旋爲 1 的暗光子介導相互作用方面取得了新的突破，相關論文即將發表於 PNAS[3]。
參考資料：
1.Xu., Z. et al. Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions. Phys. Rev. Lett. 134, 181801, 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.181801
2.Kai Weiet al. Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system.Rep. Prog. Phys. 88 057801,2025. https://doi.org/10.1088/1361-6633/adca52
3.https://arxiv.org/abs/2505.00483
