Квантовый кристалл NIST может стать новым датчиком темной материи

Иллюстрация квантового датчика NIST, состоящего из захваченных ионов бериллия (красные точки), самоорганизующихся в двумерный кристалл. Предоставлено: С. Берроуз / ДЖИЛА.

Квантовый датчик состоит из 150 ионов бериллия (электрически заряженных атомов), заключенных в магнитное поле, поэтому они самоорганизуются в плоский 2D-кристалл диаметром всего 200 миллионных метра. Такие квантовые датчики могут обнаруживать сигналы от темной материи — загадочного вещества, которое может оказаться, среди других теорий, субатомными частицами, которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электромагнитное поле. Присутствие темной материи может вызывать колебания кристалла характерным образом, что проявляется в коллективных изменениях между ионами кристалла в одном из их электронных свойств, известном как спин.

Теперь исследователи могут измерять колебательное возбуждение кристалла — плоскую плоскость, движущуюся вверх и вниз, как головка барабана, — отслеживая изменения в коллективном вращении. Измерение вращения показывает степень колебательного возбуждения, называемого смещением.

Этот датчик может измерять внешние электрические поля, которые имеют ту же частоту вибрации, что и кристалл, с более чем в 10 раз большей чувствительностью, чем любой ранее продемонстрированный атомный датчик. (Технически датчик может измерять 240 нановольт на метр за одну секунду.) В экспериментах исследователи применяют слабое электрическое поле для возбуждения и проверки кристаллического датчика. Поиск темной материи мог бы найти такой сигнал.

«Ионные кристаллы могут обнаруживать определенные типы темной материи — например, аксионы и скрытые фотоны, — которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электрическое поле», — сказал старший автор NIST Джон Боллинджер. «Темная материя формирует фоновый сигнал с частотой колебаний, которая зависит от массы частицы темной материи. Эксперименты по поиску этого типа темной материи продолжаются более десяти лет со сверхпроводящими цепями. Движение захваченных ионов обеспечивает чувствительность в другом диапазоне частот ».

Физики NIST Джон Боллинджер (слева) и Мэтт Аффолтер настраивают лазерную и оптическую матрицу, используемую для улавливания и исследования ионов бериллия в большой магнитной камере (белая колонна слева). Ионный кристалл может помочь обнаружить загадочную темную материю. Кредит: Р. Якобсон / NIST

Группа Боллинджера работает с ионным кристаллом более десяти лет. Новым является использование определенного типа лазерного света для запутывания коллективного движения и спинов большого количества ионов, а также то, что исследователи называют стратегией «обращения времени» для обнаружения результатов.

Эксперимент выиграл от сотрудничества с теоретиком NIST Аной Марией Рей, которая работает в JILA, объединенном институте NIST и Университета Колорадо в Боулдере. По словам Боллинджера, теоретическая работа имела решающее значение для понимания ограничений лабораторной установки, предложила новую модель для понимания эксперимента, которая действительна для большого количества захваченных ионов, и продемонстрировала, что квантовое преимущество происходит от запутывания спина и движения.

Рей отметил, что запутанность полезна для подавления квантового шума, присущего ионам. Однако измерение запутанного квантового состояния без разрушения информации, совместно используемой спином и движением, затруднено.

«Чтобы избежать этой проблемы, Джон может полностью изменить динамику и разделить вращение и движение после применения смещения», — сказал Рей. «Это обращение времени разделяет спин и движение, и теперь в самом коллективном вращении хранится информация о смещении, и когда мы измеряем вращение, мы можем очень точно определить смещение. Это здорово! »