【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)物理學(xué)院理論物理研究所舒菁教授課題組與尼爾斯·波爾研究所博士后陳一帆合作，系統(tǒng)研究了電磁共振探測器在實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備共振增強(qiáng)與寬帶響應(yīng)方面的設(shè)計(jì)方案。該研究有望顯著提升對(duì)軸子、暗光子等極輕暗物質(zhì)以及高頻引力波的探測靈敏度，并為下一代電磁探測器的升級(jí)提供理論依據(jù)。相關(guān)成果以題為《利用諧振腔和電路實(shí)現(xiàn)兼具共振和寬帶測量的極輕暗物質(zhì)與高頻引力波探測》(“Simultaneous Resonant and Broadband Detection of Ultralight Dark Matter and High-Frequency Gravitational Waves via Cavities and Circuits”)的論文，于2025年5月6日發(fā)表在《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》(Reports on Progress in Physics)上。
近年來，隨著天文觀測與量子技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)家對(duì)宇宙中“不可見”成分的探索愈加深入。特別是極輕玻色子暗物質(zhì)(如軸子、暗光子)以及高頻引力波，因其在粒子物理與宇宙學(xué)中的理論動(dòng)機(jī)而受到廣泛關(guān)注。電磁諧振探測器(如高品質(zhì)因子諧振腔和超導(dǎo)電路)因其低噪聲、高靈敏的特點(diǎn)，在探測這些極弱信號(hào)方面發(fā)揮了重要作用。
傳統(tǒng)的諧振探測器通常只在非常窄的頻帶內(nèi)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生顯著響應(yīng)，因此需要通過逐步掃描來覆蓋廣泛的頻率范圍。這種掃描方式效率較低，且難以應(yīng)對(duì)原初黑洞并合等事件中信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)變化。理論模型對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量的預(yù)測存在較大不確定性，也進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。因此，如何在保持高品質(zhì)因子帶來的靈敏度優(yōu)勢的同時(shí)拓寬響應(yīng)帶寬，成為電磁探測技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
圖1：通過超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)構(gòu)建和諧振腔或超導(dǎo)電路探測器的多模耦合
為突破上述限制，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多模耦合的探測器升級(jí)方案。通過引入超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)等量子元件，將多個(gè)諧振模式連接成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)響應(yīng)的逐級(jí)放大，從而拓展整體帶寬至與共振頻率相當(dāng)?shù)姆秶＿@一設(shè)計(jì)尤其適用于高品質(zhì)因子系統(tǒng)，在保持信號(hào)增強(qiáng)與低噪聲優(yōu)勢的同時(shí)，提升了整體頻率覆蓋范圍。該方法打破了傳統(tǒng)單模系統(tǒng)所受的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，提出并實(shí)現(xiàn)了“多模量子極限”的理論框架。
圖2：多模耦合實(shí)現(xiàn)的靈敏度覆蓋(虛線)和傳統(tǒng)單模探測器(實(shí)線)的對(duì)比，同時(shí)考慮軸子暗光子暗物質(zhì)和高頻引力波，以及多種電磁探測方案
該工作不僅展示了量子技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究中的應(yīng)用潛力，也為多個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃提供了具體的理論指導(dǎo)。由舒菁牽頭的“山河”(SHANHE)合作組將在后續(xù)升級(jí)計(jì)劃中，開展基于超導(dǎo)諧振腔的多模耦合方案驗(yàn)證工作。美國HAYSTAC實(shí)驗(yàn)也將在其第三階段中考慮引入類似結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓展其基于壓縮態(tài)探測技術(shù)的頻率覆蓋能力。
丹麥尼爾斯·波爾研究所博士后陳一帆與舒菁為共同通訊作者，合作者還包括舒菁課題組成員劉雨鑫、楊宇亭、曾彥杰，以及前博士后李春龍。
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