【成果】物理与天文学院张金星与合作者提出轴子暗物质探测的候选方案

暗物质的起源和探测是当今物理学所关注的核心问题。轴子是暗物质的重要候选粒子，与电磁场的极弱耦合使得传统方法至今也无法实现对其直接探测。近日，北京师范大学物理与天文学院张金星课题组与北京理工大学、中国科学院高能物理研究所等实验和理论团队，共同提出了一种利用人工磁电材料探测轴子暗物质的新机制，无需强磁场条件下对轴子相互作用信号的放大与测量。在前期理论模型的指引下，利用人工设计关联电子材料的对称性，在原有中心对称Sr2IrO4材料中通过应变梯度而打破空间反演对称性（flexo-Sr2IrO4），同时实现了平行取向的极化与磁化分量以及挠曲磁电效应（flexomagnetoelectric effect），在材料内部产生的类轴子场（P•M）可能与暗物质轴子发生线性耦合，诱导的超弱电磁扰动能够在凝聚态体系中有效转换和探测，为直接探测轴子暗物质提供了一种新的途径。实验上，研究团队分别进行磁化和磁电耦合测量，对flexo-Sr2IrO4薄膜的中可能的轴子磁电响应（Axonic magnetoelectric response）进行了系统分析，并对轴子-光子和轴子-电子耦合常数给出了新的实验约束。研究团队还提出一系列方案以进一步提升整体探测灵敏度，并期待在更广的轴子质量区间实现更严格的暗物质约束。

该工作提出了基于人工磁电材料实现轴子探测非常初步的设想，尽管系统的理论和实验研究仍有待深入开展，但也展示了通过固体对称性操控而实现粒子物理基本问题研究的可行路径，有望为建立起连接量子材料与宇宙暗物质研究的新桥梁。相关成果以“Detecting Axion Dark Matter by Artificial Magnetoelectric Materials”为题近期发表在国际学术期刊《物理学年鉴》（《Annalen der Physik》）上。本研究的第一作者为北京师范大学博士生雷润宇、北京理工大学博士生谢晨晖，中科院高能物理研究所高宇、北京理工大学孙斯纯与北京师范大学张金星为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（国家杰出青年科学基金、面上项目等）、国家重点研发计划、北京市自然科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。

图1:（a）人工磁电材料中平行极化（P）与磁化（M），对应空间反演对称性与时间反演对称性的同时破缺；（b）外部轴子与材料内部类轴子场产生耦合；（c）轴子暗物质激发下，外部轴子与磁电材料内部的P•M模式耦合所调制的磁电响应；（d）基于现有实验结果对轴子-光子耦合常数gaγγ的限制；（e）基于现有实验结果对轴子-电子耦合常数gae的限制。

论文链接：https://doi.org/10.1002/andp.202500202