Sensori quantistici svelano nuove interazioni tra spin / Quantum sensors reveal new interactions between spins

Sensori quantistici svelano nuove interazioni tra spin / Quantum sensors reveal new interactions between spins

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un gruppo di ricercatori cinesi ha compiuto un passo avanti significativo nella fisica fondamentale utilizzando sensori quantistici di spin allo stato solido per esplorare nuove interazioni tra particelle a distanze di microscala. Le loro scoperte rivoluzionarie, presentate in un recente studio, ampliano la portata del Modello Standard della fisica, fornendo dati preziosi e nuove intuizioni sul comportamento degli elettroni.

Al centro di questa ricerca innovativa si trovano i sensori quantistici di spin, strumenti all’avanguardia che sfruttano le proprietà quantistiche degli elettroni per misurare con estrema precisione i loro campi magnetici locali. Utilizzando questi sensori, i ricercatori hanno potuto osservare e studiare in dettaglio le interazioni tra gli spin degli elettroni in un materiale semiconduttore, aprendo la porta a una comprensione più profonda del comportamento di queste particelle fondamentali.

Uno dei risultati più interessanti di questo studio è la scoperta di nuove interazioni tra gli spin degli elettroni che dipendono dalla loro velocità. Queste interazioni, non previste dal Modello Standard, suggeriscono l’esistenza di una fisica precedentemente sconosciuta che opera a scale estremamente piccole.

Le scoperte dei ricercatori cinesi hanno implicazioni profonde per la nostra comprensione della fisica fondamentale. La presenza di nuove interazioni correlate alla velocità tra gli spin degli elettroni richiede una revisione del Modello Standard, aprendo la strada a nuove teorie che descrivono il comportamento della materia a livelli microscopici.

Sensori quantistici svelano segreti degli spin

Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella nostra ricerca di una teoria fisica più completa ed unificata. Le nuove intuizioni ottenute dai ricercatori cinesi pongono le basi per future ricerche che potrebbero rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo a livello fondamentale.

Il gruppo di ricerca guidato dall’accademico Du Jiangfeng e dal professor Rong Xing dell’Università di scienza e tecnologia della Cina (USTC), parte della Chinese Academy of Sciences (CAS), in collaborazione con il professor Jiao Man della Zhejiang University, ha utilizzato sensori quantistici di spin allo stato solido per esaminare interazioni esotiche spin-spin-velocity-dependent (SSIVD) ad intervalli di forza brevi. Il loro studio, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, ha riportato nuove scoperte sperimentali riguardanti le interazioni tra spin elettronici.

Il Modello Standard è un quadro teorico di grande successo nella fisica delle particelle, che descrive le particelle e quattro interazioni fondamentali. Tuttavia, esso non è ancora in grado di spiegare alcuni importanti fatti osservativi nella cosmologia attuale, come la materia oscura e l’energia oscura.

Secondo alcune teorie, nuove particelle potrebbero assumere il ruolo di “propagatori“, veicolando nuove interazioni tra le particelle descritte dal Modello Standard. Tuttavia, manca ancora una solida base sperimentale per confermare l’esistenza di queste nuove interazioni mediate dalla velocità tra gli spin, specialmente a distanze di forza estremamente ridotte, dove la verifica sperimentale risulta particolarmente impegnativa.

Al centro di questo studio rivoluzionario si trova un ingegnoso apparato sperimentale composto da due diamanti. Sulla superficie di ciascuno di essi, i ricercatori hanno creato con meticolosa precisione un insieme di posti vacanti di azoto (NV) di altissima qualità, sfruttando la tecnica della deposizione chimica da fase vapore. Questi posti vacanti di azoto assumono un ruolo fondamentale nell’esperimento: lo spin degli elettroni in uno di essi funge da sensore, mentre l’altro agisce da sorgente di spin, permettendo di studiare le interazioni tra queste particelle elementari.

Diamanti e sensori quantistici per l’esplorazione a microscala

I ricercatori hanno cercato nuovi effetti di interazione tra lo spin dipendente dalla velocità degli elettroni su scala micrometrica manipolando coerentemente gli stati quantici di spin e le velocità relative di due insiemi NV di diamante. Hanno utilizzato un sensore di spin per caratterizzare l’interazione del dipolo magnetico con la sorgente di spin come riferimento. Quindi, modulando la vibrazione della sorgente di spin ed eseguendo il rilevamento del lock-in e l’analisi ortogonale di fase, hanno misurato gli SSIVD.

Per due nuove interazioni, i ricercatori hanno condotto la prima rilevazione sperimentale nell’intervallo di forza rispettivamente inferiore ad 1 cm ed inferiore a 1 km, ottenendo preziosi dati sperimentali.

I risultati ottenuti hanno offerto nuove intuizioni alla comunità della rilevazione quantistica per esplorare le interazioni fondamentali sfruttando le caratteristiche compatte, flessibili e sensibili degli spin allo stato solido.

ENGLISH

A group of Chinese researchers have made a significant breakthrough in fundamental physics by using solid-state quantum spin sensors to explore new interactions between particles at microscale distances. Their groundbreaking findings, presented in a recent study, expand the scope of the Standard Model of physics, providing valuable data and new insights into the behavior of electrons.

At the center of this innovative research are quantum spin sensors, cutting-edge instruments that exploit the quantum properties of electrons to measure their local magnetic fields with extreme precision. Using these sensors, researchers were able to observe and study the interactions between electron spins in a semiconductor material in detail, opening the door to a deeper understanding of the behavior of these fundamental particles.

One of the most interesting results of this study is the discovery of new interactions between the spins of electrons that depend on their speed. These interactions, not predicted by the Standard Model, suggest the existence of previously unknown physics that operates at extremely small scales.

The Chinese researchers' findings have profound implications for our understanding of fundamental physics. The presence of new velocity-related interactions between electron spins requires a revision of the Standard Model, paving the way for new theories that describe the behavior of matter at microscopic levels.

Quantum sensors reveal secrets of spin

This work represents a significant step forward in our search for a more complete and unified physical theory. The new insights gained by Chinese researchers lay the foundation for future research that could revolutionize our understanding of the universe at a fundamental level.

The research team led by Academician Du Jiangfeng and Professor Rong Xing from the University of Science and Technology of China (USTC), part of the Chinese Academy of Sciences (CAS), in collaboration with Professor Jiao Man from Zhejiang University, has used solid-state quantum spin sensors to examine exotic spin-spin-velocity-dependent (SSIVD) interactions at short force ranges. Their study, published in the journal Physical Review Letters, reported new experimental findings regarding interactions between electronic spins.

The Standard Model is a highly successful theoretical framework in particle physics, describing particles and four fundamental interactions. However, it is still unable to explain some important observational facts in current cosmology, such as dark matter and dark energy.

According to some theories, new particles could take on the role of "propagators", conveying new interactions between the particles described by the Standard Model. However, a solid experimental basis is still missing to confirm the existence of these new velocity-mediated interactions between spins, especially at extremely small force distances, where experimental verification is particularly challenging.

At the heart of this groundbreaking study lies an ingenious experimental setup made up of two diamonds. On the surface of each of them, the researchers created with meticulous precision a set of very high-quality nitrogen vacancies (NVs), using the chemical vapor deposition technique. These nitrogen vacancies play a fundamental role in the experiment: the spin of the electrons in one of them acts as a sensor, while the other acts as a spin source, allowing the interactions between these elementary particles to be studied.

Diamonds and quantum sensors for microscale exploration

The researchers searched for new interaction effects between the velocity-dependent spin of micrometer-scale electrons by coherently manipulating the quantum spin states and relative velocities of two diamond NV ensembles. They used a spin sensor to characterize the interaction of the magnetic dipole with the spin source as a reference. Then, by modulating the vibration of the spin source and performing lock-in detection and orthogonal phase analysis, they measured the SSIVDs.

For two new interactions, the researchers conducted the first experimental detection in the strength range below 1 cm and below 1 km, respectively, obtaining valuable experimental data.

The obtained results have offered new insights to the quantum sensing community to explore fundamental interactions by exploiting the compact, flexible and sensitive characteristics of solid-state spins.

Da:

https://reccom.org/sensori-quantistici-svelano-nuove-interazioni-tra-spin/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR0DVV0qpYQl0pO__QlpQGkghwCDIn_uAwPan-G2H3clAFBBxYsLJfjG3FU_aem_W9Y-hhIJ-2ZADokO7lsKmw