【儀表網 研發快訊】近日，北京大學物理學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，系統研究了電磁共振探測器在實現同時具備共振增強與寬帶響應方面的設計方案。該研究有望顯著提升對軸子、暗光子等極輕暗物質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提供理論依據。相關成果以題為《利用諧振腔和電路實現兼具共振和寬帶測量的極輕暗物質與高頻引力波探測》(“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日發表在《物理學進展報告》(Reports on Progress in Physics)上。
近年來，隨著天文觀測與量子技術的快速發展，科學家對宇宙中“不可見”成分的探索愈加深入。特別是極輕玻色子暗物質(如軸子、暗光子)以及高頻引力波，因其在粒子物理與宇宙學中的理論動機而受到廣泛關注。電磁諧振探測器(如高品質因子諧振腔和超導電路)因其低噪聲、高靈敏的特點，在探測這些極弱信號方面發揮了重要作用。
傳統的諧振探測器通常只在非常窄的頻帶內對信號產生顯著響應，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，且難以應對原初黑洞并合等事件中信號頻率的動態變化。理論模型對暗物質質量的預測存在較大不確定性，也進一步加劇了這一挑戰。因此，如何在保持高品質因子帶來的靈敏度優勢的同時拓寬響應帶寬，成為電磁探測技術的關鍵挑戰。
圖1：通過超導約瑟夫森結構建和諧振腔或超導電路探測器的多模耦合
為突破上述限制，研究團隊提出了一種基于多模耦合的探測器升級方案。通過引入超導約瑟夫森結等量子元件，將多個諧振模式連接成網絡，實現信號響應的逐級放大，從而拓展整體帶寬至與共振頻率相當的范圍。這一設計尤其適用于高品質因子系統，在保持信號增強與低噪聲優勢的同時，提升了整體頻率覆蓋范圍。該方法打破了傳統單模系統所受的標準量子極限，提出并實現了“多模量子極限”的理論框架。
圖2：多模耦合實現的靈敏度覆蓋(虛線)和傳統單模探測器(實線)的對比，同時考慮軸子暗光子暗物質和高頻引力波，以及多種電磁探測方案
該工作不僅展示了量子技術在基礎物理研究中的應用潛力，也為多個實驗計劃提供了具體的理論指導。由舒菁牽頭的“山河”(SHANHE)合作組將在后續升級計劃中，開展基于超導諧振腔的多模耦合方案驗證工作。美國HAYSTAC實驗也將在其第三階段中考慮引入類似結構，進一步拓展其基于壓縮態探測技術的頻率覆蓋能力。
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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