Поиск темной материи с использованием гибридной спиновой системы с резонансной связью

Последние достижения в области настольных квантовых сенсорных технологий сделали возможным поиск негравитационных взаимодействий темной материи (ТМ). Традиционные эксперименты по поиску аксионной темной материи (ТМ) основаны на узком резонансе, что приводит к значительным затратам времени на сканирование широкого диапазона масс. В этой работе представлен широкополосный подход с использованием спиновой системы щелочной металл–21Ne. Мы выделяем два различных режима гибридной спиновой связи: режим самокомпенсации на низких частотах и режим гибридного спинового резонанса на более высоких частотах. Использование этих двух режимов позволяет существенно расширить полосу пропускания ядерного спина 21Ne по сравнению с традиционным ядерным магнитным резонансом при сохранении конкурентоспособной чувствительности. Мы представляем комплексный широкополосный поиск аксионоподобной темной материи, охватывающий пять порядков величины диапазона комптоновских частот в пределах [10−2, 103] Гц. Получены новые ограничения на взаимодействия аксионной темной материи с нейтронами и протонами с учетом стохастического характера темной материи. Для связи аксиона с нейтроном получено значение |gann| ≤ 3 × 10−10 в диапазоне частот [2 × 10−2, 4] Гц, что превосходит астрофизические ограничения и обеспечивает наиболее сильные лабораторные ограничения в диапазоне [10, 100] Гц. Для связи аксиона с протоном установлены лучшие наземные ограничения в диапазонах частот [2 × 10−2, 5] Гц и [16, 7 × 102] Гц.