基于共振耦合杂化自旋系统的暗物质搜寻

桌面量子传感器技术的最新进展使得搜寻暗物质（DM）的非引力相互作用成为可能。传统的轴子 DM 实验依赖尖锐共振，导致覆盖宽质量范围需要大量扫描时间。本工作中，我们提出一种碱金属-${}^{21}$Ne 自旋系统中的宽带方法。我们识别出两种不同的杂化自旋耦合 regime：低频下的自补偿（SC）regime 与较高频率下的杂化自旋共振（HSR）regime。通过利用这两种不同 regime，我们将 ${}^{21}$Ne 核自旋的带宽相比传统核磁共振显著增强，同时保持有竞争力的灵敏度。我们展示了一项针对类轴子暗物质的全面宽带搜寻，覆盖 $[10^{-2}, \, 10^3]$ Hz 内跨越 5 个数量级的康普顿频率范围。我们对轴子暗物质与中子和质子的相互作用设定了新的约束，并考虑了 DM 随机性效应。对于轴子-中子耦合，我们的结果在 $[2\times 10^{-2}, \, 4]$ Hz 频率范围内达到低至 $|g_{ann}|\le 3\times 10^{-10}$ 的值，超越天体物理极限，并在 $[10, \, 100]$ Hz 范围内提供最强实验室约束。对于轴子-质子耦合，我们在 $[2\times 10^{-2}, \, 5]$Hz 与 $[16, \, 7\times 10^{2}]$ Hz 频率范围提供了最佳地面约束。