ダイヤモンド量子センサによる暗黒物質探査法を提~軽い暗黒物質質量の幅広い領域を高感度に探索へ~

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2025-05-16 京都大学

京都大学などの研究グループは、ダイヤモンド中の核スピンと暗黒物質(アクシオン)が相互作用する新たな探査法を提唱。従来未踏領域だった100Hz以下の信号周波数、電子の質量の10¹⁸分の1以下の軽い暗黒物質に対し、世界最高感度での探索が可能であると示した。核スピンの種を変えることで暗黒物質と環境ノイズの識別も可能。成果はPhysical Review Dに掲載され、将来の精密観測への貢献が期待される。

ダイヤモンド量子センサによる暗黒物質探査法を提~軽い暗黒物質質量の幅広い領域を高感度に探索へ~
(左)ダイヤモンドのNV中心の電子スピン(オレンジ色の矢印)は、磁場に対して非常に敏感である一方、窒素の核スピン(マゼンタ色の矢印)は低い磁気回転比のため、磁場に対してそれほど敏感ではない。(右)しかし、暗黒物質のアクシオン場の勾配との結合にはそのような制限がないため、核スピンは長いコヒーレンス時間を利用してこの暗黒物質候補を高感度に検出することが期待できる。

<関連情報>

アクシオン暗黒物質検出のためのダイヤモンドの窒素空孔中心を用いた核スピン計測 Nuclear spin metrology with nitrogen vacancy center in diamond for axion dark matter detection

So Chigusa, Masashi Hazumi, Ernst David Herbschleb, Yuichiro Matsuzaki, Norikazu Mizuochi, and Kazunori Nakayama
Physical Review D  Published: 29 April, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.111.075028

Abstract

We present a method to directly detect the axion dark matter using nitrogen vacancy centers in diamonds. In particular, we use metrology leveraging the nuclear spin of nitrogen to detect axion-nucleus couplings. This is achieved through protocols designed for dark matter searches, which introduce a novel approach of quantum sensing techniques based on the nitrogen vacancy center. Although the coupling strength of the magnetic fields with nuclear spins is three orders of magnitude smaller than that with electron spins for conventional magnetometry, the axion interaction strength with nuclear spins is the same order of magnitude as that with electron spins. Furthermore, we can take advantage of the long coherence time by using the nuclear spins for the axion dark matter detection. Our method has the potential to be sensitive to a broad frequency range ≲100  Hz corresponding to the axion mass ≲4×10−13  eV. We present the detection limit of our method for both the axion-neutron and the axion-proton couplings and discuss its significance in comparison with other proposed ideas. We also show that the sensitivities of the NV center sensor to various spin species will open up new directions for constructing protocols that can mitigate magnetic noise effects.

1700応用理学一般
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