[發明專利]檢驗第五種力V4+5

有效

• 申請號: 202111428326.0
• 申請日: 2021-11-29
• 公開（公告）號: CN113835049B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 周明媞;翟躍陽;韓邦成;陶潤夏;曹乾
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 奚麗萍

本發明還公開了一種檢驗第五種力的基于SERF原子磁場測量裝置，包括與光學平臺固定連接的原子磁強計模塊，所述原子磁強計模塊內固定設有激光器，在所述激光器發射的激光路徑上依次固定布置有準直透鏡、線偏振器、圓偏振器、反射棱鏡、原子池機械支撐件和光電管，所述原子池機械支撐件內固定有堿金屬原子池，所述原子磁強計模塊內固定設有精細調節磁場線圈，所述精細調節磁場線圈外層固定設有磁場線圈，所述原子磁強計模塊上側設有與光學平臺固定連接的旋轉定位機構，本發明使用的原子池中的K原子提供高密度極化電子的自旋源，且極化電子對形式的第五種力敏感，實驗結構簡單簡化了實驗的復雜度。

技術領域

本發明涉及檢驗第五種力的實驗方法和裝置技術領域，特別涉及一種檢驗第五種力的基于SERF原子磁場測量方法及裝置。

背景技術

基于SERF原子自旋超高靈敏極弱磁測量裝置是當今世界上最靈敏的磁強計之一，其磁場理論靈敏度最高能達到 量級，目前實測最高磁場靈敏度已達到量級。與自旋相關的相互作用利用無量綱的耦合常數來刻畫，探測系統越精密，耦合常數的上限就越低。此外，SERF系統使用的是熱的堿金屬原子，實驗手段簡單，容易制備，還可以被小型化設計，結構緊湊，成本低廉。

因此，相比較別的物理實驗體系，利用量子精密測量的SERF系統來探測第五種力具有巨大的優勢，有望在大于m的力程范圍內將探測第五種力的靈敏度有量級的提升。

由于形式的第五種力，其相互作用大小與距離呈指數衰減，因此本發明設計了一款SERF聯合原子磁強計來縮短原子磁強計中的原子池和晶體之間的距離，大大增強了電子自旋和核自旋相互作用的大小，本發明將為檢驗超出標準模型的新物理領域提供新的實驗手段。

發明內容

本發明的目的在于提供一種檢驗第五種力的基于SERF原子磁場測量方法及裝置，以克服現有技術中的不足。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

本發明公開了一種檢驗第五種力的基于SERF原子磁場測量方法，包括以下步驟：

S1：將泵浦光路和檢測光路共線入射到原子磁強計表頭內的堿金屬原子池中，使得內部堿金屬原子處于SERF態；

S2：在原子磁強計附近放置晶體，利用步進電機控制晶體做旋轉運動，使得晶體內核自旋與堿金屬原子池內電子自旋之間產生相對運動；

S3：利用原子磁強計探測由于晶體內核自旋與堿金屬原子池內電子自旋之間相互作用產生的磁場信號；

S4：通過對測量數據進行數據處理，將微弱的磁場信號從背景噪聲中提取出來，獲得形式第五種力產生的等效磁場，根據等效磁場對第五種力的相互作用強度系數隨著相互作用自由程的變化給出實驗測量精度限定范圍，從而檢驗第五種力。

可優選的，所述步驟S2中，堿金屬原子池內的電子自旋和晶體內核自旋之間存在的形式第五種力可表示為

；

其中，為相互作用強度系數，是極化粒子的自旋量子數，r是晶體內核自旋與堿金屬原子池內電子自旋之間的距離，為相互作用自由程，v是晶體和堿金屬原子池的相對運動速度，是普朗克常數，c是真空中光速；

這種新型相互作用會導致堿金屬原子池中的極化電子能級移動為

；

其中，是堿金屬原子的旋磁比，是第五力產生的等效磁場，是極化粒子的自旋量子數，是普朗克常數。

可優選的，所述步驟S2中，所述晶體內核自旋與堿金屬原子池內電子自旋之間相互作用指的是，原子池內所有極化的堿金屬原子的電子自旋和晶體內所有核自旋的相互作用總和，晶體的旋轉運動速度保持恒定時，晶體內核自旋與堿金屬原子池內電子自旋之間相互作用力恒定，當晶體的旋轉運動速度周期變化時，第五種力引起的等效磁場也會周期性變化。