你知道
何为暗物质（dark matter）吗
这是宇宙中一种
看不见、摸不着的神秘物质
不发光也不反射光
但通过引力效应影响着星系的运动
科学家认为
暗物质约占宇宙总物质的85%
但至今仍未直接探测到它的存在
《Science》期刊曾将“宇宙是由什么组成”
评选为125大科学问题的第一个
北京航空航天大学
房建成教授团队魏凯教授组
联合国际多家研究单位
发起量子精密测量探测超轻暗物质等
新物理的科学计划（ChangE）
近日
与北京大学、德国美因茨大学
德国亥姆赫兹研究所
瑞士苏黎世联邦理工学院
新加坡南洋理工大学等合作单位
在量子精密测量领域实现重要突破
通过创新量子测量技术
为探测暗物质等研究开辟了重要途径
相关成果分别以“基于共振耦合的混合自旋系统探测暗物质”为题目发表于《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）、以“轴子传递的偶极 - 偶极相互作用的限制” 为题目发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）、以“超高灵敏可溯源双自旋共振原子传感器”为题目发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
团队最新研究进展
获《》等多家媒体报道
2025年7月17日，《》报道了团队相关研究进展
如何探测暗物质
传统的自旋共振型暗物质探测方法，类似于用收音机逐个频率手动搜台，不仅搜索速度慢，而且每次只能覆盖一个狭窄的频率范围，难以高效捕捉覆盖广谱分布的暗物质信号。
据悉，该团队研发的“混合自旋共振（HSR）探测技术”开辟了微弱信号宽谱探测新范式，通过精密操控微观粒子的量子态，可以测量极其微弱的宽谱信号，为寻找暗物质提供了新方法。犹如一台升级版的收音机，具备天然宽谱响应能力，能够实现多频段信号的同步探测，大幅提升了覆盖效率和对微弱信号的敏感性。
利用混合自旋共振模式（HSR）进行暗物质探测的原理图
团队创新性地将氖、铷、钾三种气体原子巧妙地组合在一起，通过精确调控磁场，让它们产生协同效应，就像足球场上统一指挥形成的人浪，不再是杂散的人群，大幅提升了探测的灵敏度和响应范围。这项技术将暗物质等微弱信号的探测能力提升了上千倍，在0.01赫兹到1000赫兹的宽广频率范围内（最低频率比睡眠时的呼吸频率还低约十倍，最高频率则接近高音喇叭）实现全球领先的轴子暗物质探测灵敏度，部分指标超越普林斯顿大学等国际知名实验室纪录及天文学观测指标纪录。更令人惊叹的是，原本需要数年才能完成的测量，现在只需数天就能完成。
轴子暗物质（一种假想的暗物质粒子）与中子（上）和质子（下）耦合强度的实验测量限制。横轴表示暗物质质量对应的康普顿频率。红色线为本次ChangE合作组的研究结果，包括混合自旋共振模式（HSR）以及自补偿模式（SC）。
探测灵敏度
研究人员介绍，这项核心技术突破也同时应用于探测除万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用之外的第五种力，这种力可以被轴子这种暗物质候选粒子传递。为了探测更微弱的信号，需要更纯净的环境，以避免来自外界的干扰。团队在自主研发的原子共磁仪中引入了创新的“软磁套硬磁”结构，结合多重磁屏蔽和核自旋自补偿技术，就像给精密仪器穿上多层防护服，将干扰信号降低了千万倍。虽然没有发现第五种力信号，但在“轴子窗口”（0.01–0.1 meV）区域，超精密实验给出了中子-电子、质子-电子耦合系数目前国际上最严格的测量限制，尤其在 0.02 meV 轴子质量处，探测灵敏度比以往提升了超过1万倍，为寻找轴子暗物质提供了重要线索。
图中为中子自旋-电子自旋耦合强度的实验限制（左），与质子自旋-电子自旋的实验限制（右）。横轴表示轴子质量，反比于新相互作用力程，纵轴为耦合强度。
“两项研究均以量子自旋系统精密操控为核心，通过共磁仪技术创新，将量子测量性能提升至全新的水平。” 团队成员表示，目前自主研发的超高灵敏测量装置，保持国际最高的量子能级测量灵敏度纪录，达到10-24eV/Hz1/2量级，约为一个可见光子能量的1/1024。
如果把一个光子能量类比成太平洋中水的总质量，这个能量灵敏度相当于可以分辨出太平洋中几滴水的变化。
超高灵敏可溯源测量新方法
北航房建成教授团队魏凯教授组最新研究工作提出一种全新的原子自旋传感器，利用电子自旋与核自旋之间的双自旋共振相互作用，实现了对弱磁场的超高灵敏和可溯源精准探测。在这项研究中，团队利用碱金属-惰性气体相互作用原位增强信号，并将信号溯源于物理常数，实现了直接、准确的磁场测量。
同时引入了一种巧妙的“脉冲调制”方法，成功地将费米接触相互作用引起的碱金属等效磁场抑制了约两个数量级，大大提高了测量准确度。
95%置信水平下轴子-中子耦合系数 gann的测量结果，以及与国际同类研究的对比
这项技术已经被验证用于探索宇宙中一种神秘的暗物质候选粒子类轴子（axion-like particles）。研究团队利用该传感器长时间收集采样信号，实现了在类轴子粒子质量6.74×10-13eV处，轴子-中子耦合强度系数结果超过原有实验室纪录约1个量级。这个小小的量子传感器，正在为寻找宇宙的“隐身成员”提供最先进的线索。
论文链接：
目前，ChangE国际科学计划
已完成第一期的实验室探测
第二期正在推进中
将与全球不同国家的研究机构合作
设置实验测试台站
开展全球超轻暗物质同步探测
让量子技术创新成果
为基础研究赋能
未来，北航团队将继续
走在国际科研前沿
