Denne kvantekrystal kunne være en ny mørk stofsensor

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har knyttet sammen, eller "indviklet, "den mekaniske bevægelse og elektroniske egenskaber af en lille blå krystal, giver det en kvantefordel i måling af elektriske felter med rekordfølsomhed, der kan forbedre forståelsen af ​​universet.

Kvantesensoren består af 150 berylliumioner (elektrisk ladede atomer) indespærret i et magnetfelt, så de selv-arrangerer sig til en flad 2D-krystal på kun 200 milliontedele meter i diameter. Kvantesensorer som denne har potentialet til at detektere signaler fra mørkt stof - et mystisk stof, der kan vise sig at være, blandt andre teorier, subatomære partikler, der interagerer med normalt stof gennem et svagt elektromagnetisk felt. Tilstedeværelsen af ​​mørkt stof kan få krystallen til at vrikke på afslørende måder, afsløret af kollektive ændringer blandt krystallens ioner i en af ​​deres elektroniske egenskaber, kendt som spin.

Som beskrevet i 6. august-udgaven af Videnskab , forskere kan måle den vibrationsmæssige excitation af krystallen - det flade plan bevæger sig op og ned som hovedet på en tromme - ved at overvåge ændringer i det kollektive spin. Måling af spin angiver omfanget af vibrationsexcitationen, benævnt forskydning.

Denne sensor kan måle eksterne elektriske felter, der har samme vibrationsfrekvens som krystallen med mere end 10 gange følsomheden af ​​enhver tidligere demonstreret atomsensor. (Teknisk set, sensoren kan måle 240 nanovolt per meter på et sekund.) I forsøgene forskere anvender et svagt elektrisk felt for at excitere og teste krystalsensoren. En søgning efter mørkt stof ville lede efter et sådant signal.

"Ionkrystaller kunne detektere visse typer mørkt stof - eksempler er aksioner og skjulte fotoner - der interagerer med normalt stof gennem et svagt elektrisk felt, "NIST senior forfatter John Bollinger sagde. "Det mørke stof danner et baggrundssignal med en oscillationsfrekvens, der afhænger af massen af ​​den mørke stof partikel. Eksperimenter, der søger efter denne type mørkt stof, har været i gang i mere end et årti med superledende kredsløb. Bevægelsen af ​​fangede ioner giver følsomhed over et andet frekvensområde."

Bollingers gruppe har arbejdet med ionkrystallen i mere end et årti. Det nye er brugen af ​​en bestemt type laserlys til at sammenfiltre den kollektive bevægelse og spin af et stort antal ioner, plus hvad forskerne kalder en "tidsvending"-strategi for at opdage resultaterne.

Eksperimentet nød godt af et samarbejde med NIST-teoretiker Ana Maria Rey, der arbejder hos JILA, et fælles institut for NIST og University of Colorado Boulder. Teoriarbejdet var afgørende for at forstå grænserne for laboratorieopsætningen, tilbød en ny model til at forstå eksperimentet, der er gyldigt for et stort antal fangede ioner, og demonstrerede, at kvantefordelen kommer fra at sammenfiltre spin og bevægelse, sagde Bollinger.

Rey bemærkede, at sammenfiltring er gavnlig til at annullere ionernes iboende kvantestøj. Imidlertid, Det er svært at måle den sammenfiltrede kvantetilstand uden at ødelægge informationen, der deles mellem spin og bevægelse.

"For at undgå dette problem, John er i stand til at vende dynamikken og adskille spindet og bevægelsen efter at forskydningen er påført, " sagde Rey. "Denne gang afkobler vending spindet og bevægelsen, og nu har selve det kollektive spin forskydningsinformationen gemt på sig, og når vi måler spins kan vi bestemme forskydningen meget præcist. Det her er pænt!"

Forskerne brugte mikrobølger til at producere de ønskede værdier af spins. Ioner kan spindes op (ofte forestillet som en pil, der peger opad), dreje ned eller andre vinkler, inklusive begge på samme tid, en særlig kvantetilstand. I dette eksperiment havde ionerne alle det samme spin - først spin op og derefter vandret - så når de var ophidsede roterede de sammen i et mønster, der er karakteristisk for snurretoppe.

Krydsede laserstråler, med en forskel i frekvens, der var næsten den samme som bevægelsen, blev brugt til at indvikle det kollektive spin med bevægelsen. Krystallen blev derefter vibrationelt exciteret. De samme lasere og mikrobølger blev brugt til at fortryde sammenfiltringen. For at bestemme, hvor meget krystallen bevægede sig, forskere målte ionernes spin-niveau af fluorescens (spin op spreder lys, spin down er mørkt).

I fremtiden, øge antallet af ioner til 100, 000 ved at lave 3D-krystaller forventes at forbedre sansningsevnen tredive gange. Ud over, stabiliteten af ​​krystallens exciterede bevægelse kan forbedres, hvilket ville forbedre tidsomlægningsprocessen og præcisionen af ​​resultaterne.

"Hvis vi er i stand til at forbedre dette aspekt, dette eksperiment kan blive en grundlæggende ressource til at opdage mørkt stof, " sagde Rey. "Vi ved, at 85% af stoffet i universet er lavet af mørkt stof, men til dato ved vi ikke, hvad mørkt stof er lavet af. Dette eksperiment kunne give os mulighed for i fremtiden at afsløre dette mysterium."

Medforfattere omfattede forskere fra University of Oklahoma.