暗物质是宇宙能量密度的27%，在它的存在被首次假设了将近一个世纪之后，它仍然是基础物理学中最深奥的谜团之一。它决定了宇宙结构的形成，支配着星系的动力学，有压倒性的证据表明，它不能由粒子物理标准模型所描述的任何粒子组成。被称为轴子的假设粒子最初被提出用来解决量子色动力学（QCD）中的强CP问题，现在已经成为主要的暗物质候选粒子，因为实验的零结果对重要的替代品施加了严格的限制。如果它们存在的话，轴子可能会比所有大质量标准模型粒子轻很多数量级。事实上，它们的能量足够低，可以表现得像一个弱耦合的振荡场，贯穿整个空间。研究这个场的存在需要对轴子相干效应敏感的探测器，而不是单粒子相互作用。近年来，探测器平台的数量激增，能够探测轴子质量的不同可能值。其中，设计用于在1–50μeV/c2质量范围（c，真空中的光速）内搜索的轴子光晕镜是迄今为止唯一证明对QCD轴子敏感的平台。 2021年2月10日，美国耶鲁大学H.Wang组在《Nature》杂志上，发表了题目为“A quantum enhanced search for dark matter axions“的文章。对光的量子态的操纵有可能加强对基础物理的探索。直到最近，量子压缩技术的成熟才与受到量子不确定性限制的基础物理研究的出现相吻合。特别是，在量子色动力学中轴子为基础物理学中两个最突出的问题提供了可能的解决方案：量子色动力学的强电荷宇称问题和暗物质的未知性质。在暗物质轴子搜索中，量子不确定性表现为一个基本的噪声源，限制了用于探测的正交观测值的测量。很少有暗物质研究接近这个极限，直到现在都没有超过这个极限。这里他们利用真空压缩来绕过量子极限来寻找暗物质。通过在压缩状态下制备微波频率电磁场，并几乎无噪声地读出压缩正交，他们在最近的一些理论预测所支持的质量范围内，使轴子的搜索速度加倍。在16.96–17.12和17.14–17.28微伏的轴子剩余能量窗口中，他们没有发现暗物质的证据。突破量子极限带来了一个基础物理研究的时代，在这个时代，与接近量子极限的收益递减相比，降噪技术产生了无限的好处。 查看详细>>

在原子和分子物理领域，对光谱分辨率的追求是至关重要的。非线性光谱、粒子俘获、激光冷却、缓冲气体冷却以及改进的微波和激光源等技术在半个多世纪的时间里使分辨率不断提高，从而在理解辐射-物质相互作用和控制量子系统方面，尤其是在光学领域取得了重大进展。兰姆-狄克体制区域（LDR）对超高（无多普勒）分辨率很关键，通过限制粒子，至少在一个空间维度，在一个范围内大大小于光谱辐射的波长来实现。历史上，这一领域的光谱学最早被用于各种中性和带电粒子的射频和微波光谱学。对于囚禁原子离子云的超精细结构光谱，最早的研究已经表明，如果云半径小于波长，可以获得具有极高品质因子的谱线。 2021年2月18日，德国杜塞尔多夫海因里希海因大学实验物理研究所的S.Schiller组在《Nature Physics》上，发表了题目为“Proton–electron mass ratio by high-resolution optical spectroscopy of ion ensembles in the resolved-carrier regime”的文章。气相光谱学是研究原子和分子结构及其与外场相互作用的重要工具。线分辨率通常受到粒子热运动引起的一阶多普勒展宽和通过激发光束的短渡越时间的限制。对于囚禁的粒子，适当的激光冷却技术可以导致强约束（兰姆-狄克区域），从而使光谱不受这些影响。对于非激光可冷却的光谱离子，到目前为止，只有在囚禁一个或两个原子离子以及单个激光可冷却的原子离子时才能实现这一点。在这里，他们表明，如果用中红外辐射，用更容易制备的离子群也可以获得没有多普勒和渡越展宽的单光子光谱。他们演示了分子离子的方法。他们在由几千个激光冷却的原子离子组成的库仑团簇中囚禁了约100个分子氢离子（HD+），并进行了基态振动跃迁的激光光谱分析。以3.3×10-12的最低不确定度分数确定跃迁频率。作为应用，他们通过精确的从头计算与测量的振动频率相匹配来确定质子-电子质量比。 查看详细>>

2021年3月，马尔堡菲利普大学等机构研究人员在国际著名期刊《科学》（SCIENCE）发表题为“Tracing orbital images on ultrafast time scales”的文章。该文章介绍了研究团队在3,4,9,10-苝四甲酸二酐分子轨道成像方面的实验和理论研究。 量子力学对物质的描述基础是多电子波函数。在多级近似下，多电子波函数甚至精确的组态相互作用波函数能够写成单电子波函数的形式，例如轨道。轨道的优势在于它在空间特征和空间电子分布之间建立了一个明显对化学有利的连接。因此，即使还存在着非常细微的问题，人们对测量轨道也一直有着很大的兴趣。利用最近引入的光发射断层成像，人们能够在动量空间对吸附表面的分子轨道中电子分布进行成像。在泵浦-探测实验中成像激发态的分子轨道使光发射断层成像应用达到高潮，因为这将使它不仅能够在时间上而且在空间中探测表面上的分子激发和电子转移过程。除了记录对应能级的光发射强度，人们可以在动量空间监视轨道来追踪激发后电子波函数的演化过程。最近人们可以通过激光高次谐波的方法获得足够高能量的探测光子，使得时间分辨的光激发实验能够记录固体的能带结构运动。 然而，分子未占据态的光发射断层成像至今还没有成功。在气相光化学中，长期以来，人们已经认识到飞秒时间分辨光电子能谱是研究耦合电子和核动力学的有力方法。在那里却很难在所有三个维度上排列分子以在分子框架中记录动量分布图。分子很容易固定在金属表面。但是，未占据态光谱同时需要分子与基底有着充分的电子解耦。 该研究团队通过结合时间分辨的高次谐波激光的光发射和动量显微镜建立了一个断层成像的未占据态分子轨道的泵浦-探测实验。他们测量了瞬态激发电子的全部动量-空间分布，并将其激发态动力学与实时激发路径联系起来。因为在分子中这种分布与轨道形状紧密相关，所以该实验可能为将来观测时间空间中超快电子运动提供可能性。 查看详细>>

2021年1月29日，国际著名期刊《物理评论X》(Phys.Rev.X)发表了加州大学伯克利分校Hartmut Häffner研究组题为“Trapping Electrons in aRoom-Temperature Microwave Paul Trap”的文章。文章报道了第一次室温下Paul阱囚禁电子的实验，实验中部分电子囚禁寿命达到了1秒。 电子自旋态是量子物理中典型的两能级系统，使其成为实现量子点的候选体系。量子计算方法使用的是凝聚态物质和原子系统中的电子，例如囚禁在量子点中的电子、束缚在半导体供体中的电子或者囚禁在原子离子中的价电子。在这些体系中，囚禁在主固态环境或者重离子中的状态限制了电子自旋量子比特的潜力。对于囚禁离子，囚禁势场中的重离子慢运动消弱了纠缠态，进而限制了门速度。而在凝聚态体系中，电子电荷和磁矩与外部环境的耦合也限制了相干时间。 解决这些限制的方法之一是将独立的自由电子囚禁在真实的真空环境中。上述文章在实验上证明可以利用当前量子计算机中使用的一种称为电四极Paul阱的离子阱来实现这种自由电子囚禁体系。相比于囚禁离子，电子荷质比大了104-105倍，因此基于运动的门和往复操作能被加快2个数量级。根据与囚禁电子自旋量子比特有着相似退相干机理的离子基态量子比特的测量，囚禁电子的相干时间至少为1秒。而且，简化的能级结构也消除了由于布居数泄露造成的量子比特误差。移植囚禁离子发展出来的量子CCD架构到囚禁电子上面也为利用先进微波技术建立一个快速、模块化和高保真度的量子计算机提供了机会。 虽然真空中单电子囚禁实验在低温Penning阱和液氦表面体系中已经成功实现。该研究组利用了当前量子计算机中电四级射频离子阱架构，通过光电离里德堡态Ca+离子第一次成功在Paul阱中实现了纯电子在真空条件下的囚禁。虽然量子计算机的应用仍然需要低温环境，但是该文章原理上证明了室温下可以囚禁电子。 查看详细>>