由新加坡南洋理工大学牵头的研究团队取得了一项突破性进展，这项技术有望为探测宇宙中神秘的“暗物质”开辟新路径，使人类向揭示宇宙最深层的奥秘迈出关键一步。
我们在地球和太空中所能观测到的一切——从岩石到恒星等可见物质——仅构成宇宙总质量的一小部分。科学家推测，宇宙中约85%的物质由不可见的暗物质构成。这种神秘物质被认为是将星系凝聚在一起的“隐形粘合剂”，找到它或许能解释许多仅凭可见物质无法理解的宇宙现象。
然而，验证暗物质的存在是一项极具挑战的任务。正如其名，暗物质不发光、不反射光、不带电荷，与普通物质的相互作用极其微弱，使得传统科学仪器难以捕捉其踪迹。
在众多暗物质候选粒子中，“轴子”一直备受关注。四十年来，科学家持续探索轴子的存在，其中一种思路是通过实验验证自然界中已知粒子（如电子或光子）是否能表现出类似理论预言的轴子行为。一旦观测到这类行为，便可为直接探测真实轴子提供理论依据与实验方法。
尽管过去的研究已接近目标，但对轴子的探索始终未能取得决定性突破。如今，南洋理工大学领导的团队首次明确证实：自然界中存在的粒子确实可以模拟轴子的特性。
研究团队通过精密设计的晶体结构，观察到光子在其中运动时展现出与理论轴子高度一致的行为模式。“我们的晶体结构研究结果令人振奋，它意味着未来或许能借助这类材料直接探测真实轴子，”领导该研究的南大物理与数学科学学院张百乐教授表示，“由于轴子是暗物质的重要候选者，这项研究可能为解开宇宙根本谜题奠定基础。”
该研究成果已于2025年1月发表于国际权威期刊《科学》。
揭示暗物质的奥秘
“暗物质”这一概念最早可追溯至1930年代。科学家发现，仅靠可见物质产生的引力无法解释星系旋转时为何不会分崩离析，因而推测存在某种不可见的“宇宙粘合剂”。暗物质由此被视为支撑宇宙结构的隐形骨架，主导着星系的形成与演化。
轴子作为暗物质候选粒子的历史，始于1977年物理学家罗伯托·佩奇与海伦·奎因为解决粒子物理学难题提出的理论构想。次年，弗兰克·威瑟克与史蒂文·温伯格独立指出该理论预言了新粒子的存在。威瑟克以某洗衣粉品牌命名为“轴子”，寓意其可“洗净”理论中的矛盾。
据信，轴子诞生于宇宙大爆炸后的急剧膨胀时期。若它们确是暗物质的主要组成部分，其探测将极为困难。理论预测，真实轴子在强度高达10特斯拉的磁场中（相当于汽车拆解厂电磁铁强度的10倍）可转化为光子，进而被传统设备探测。然而这一转化效率极低，产生的光子信号微弱易被噪声淹没，导致至今尚未成功捕获。
为突破此困境，科学家另辟蹊径：通过验证电子、光子等自然粒子能否模拟轴子行为，构建探测真实轴子的理论基础。过去研究多聚焦于电子在二维平面中的类轴子运动，但真实轴子存在于三维空间，仅靠电子研究存在局限。
南洋理工大学张教授团队创新性地以光子为研究对象，利用特殊磁性层状晶体结构调控光子行为。这类晶体原本用于模拟自然界中罕见的奇异粒子，而研究过程中，团队意外发现了轴子存在的间接证据。
通过分析轴子与反向磁场的理论关联，团队提出假设：若晶体层具有交替磁性，其中的光子可能表现出三维类轴子运动。在与南大张亦东教授等学者合作开展的实验中，该假设得到证实。
研究采用人工尖晶石晶体“钇铁石榴石”构建特殊几何结构，该材料兼具独特磁性与光学特性，广泛应用于雷达及微波通信领域。实验中，光子沿晶体三维边缘（水平、垂直及侧向）实现了单向传播，且无反向散射，与理论预测的轴子行为高度吻合。
未来，科学家可进一步优化晶体设计，将其用于强磁场等极端环境下探测轴子转化产生的光子。尽管实现这一目标仍需大量资源与技术攻关，研究团队相信此类晶体结构有望增强轴子转化光子的微弱信号，为探测提供新可能。
未参与该研究的韩国科学技术院Yannis Semertzidis教授评价称：“轴子是解释暗物质组成的理想候选者，而这项研究开创的晶体探测路径，为轴子搜寻提供了极具前景的新方案。这类晶体内部天然具备轴子探测所需的磁场环境，有望在不久的将来成为实用的暗物质探测工具。”
