Квантовый кристалл может раскрыть сущность темной материи
Используя причуду квантовой механики, исследователи создали кристалл бериллия, способный обнаруживать невероятно слабые электромагнитные поля. Однажды эту работу можно будет использовать для обнаружения гипотетических частиц темной материи, называемых аксионами.
Исследователи создали свой квантовый кристалл, улавливая 150 заряженных частиц или ионов бериллия с помощью системы электродов и магнитных полей, которые помогли преодолеть их естественное отталкивание друг к другу.
Когда Рей и ее коллеги захватили ионы своей системой полей и электродов, атомы самоорганизовались в плоский лист, вдвое толще человеческого волоса. Этот организованный коллектив напоминал кристалл, который вибрировал, если его потревожила какая-то внешняя сила.
Когда этот "кристалл" бериллия сталкивался с электромагнитным полем, он двигался в ответ, и это движение можно было преобразовать в измерение напряженности поля.
Но измерения любой квантово-механической системы подчиняются ограничениям, установленным принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что определенные свойства частицы, такие как ее положение и импульс, не могут быть известны одновременно с высокой точностью.
Команда придумала способ обойти этот предел с помощью запутанности, когда атрибуты квантовых частиц неразрывно связаны друг с другом.
"Используя запутанность, мы можем почувствовать вещи, которые иначе были бы невозможны", - сказала Рей.
В этом случае она и ее коллеги запутали движения ионов бериллия с их спинами. Квантовые системы напоминают крошечные вершины, а вращение описывает направление, скажем, вверх или вниз, в которое указывают эти вершины.
Когда кристалл вибрирует, он перемещается на определенную величину. Но из-за принципа неопределенности любое измерение этого смещения или количества перемещенных ионов будет зависеть от пределов точности и содержать много того, что известно как квантовый шум, сказал Рей.
Чтобы измерить смещение, "нам нужно смещение больше, чем квантовый шум", - сказала она.
Запутанность между движениями ионов и их спинами расширяет этот шум, уменьшая его и позволяя исследователям измерять сверхмалые флуктуации в кристалле. Они протестировали систему, послав через нее слабую электромагнитную волну и увидев ее вибрацию. Работа описана 6 августа в журнале Science.
Кристалл уже в 10 раз более чувствителен при обнаружении крошечных электромагнитных сигналов, чем предыдущие квантовые датчики. Но команда считает, что с большим количеством ионов бериллия они могли бы создать еще более чувствительный детектор, способный искать аксионы.
Аксионы - это сверхлегкая частица темной материи с миллионной или миллиардной массой электрона. Некоторые модели аксиона предполагают, что он может иногда превращаться в фотон, и в этом случае он больше не будет темным и будет производить слабое электромагнитное поле. Если бы какие-либо аксионы пролетели через лабораторию, содержащую этот кристалл бериллия, кристалл мог бы уловить их присутствие.
"Я думаю, что это прекрасный результат и впечатляющий эксперимент", - сказал Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, который не принимал участия в исследовании.
Карни считает, что помимо помощи в поисках темной материи, эта работа может найти множество применений, таких как поиск паразитных электромагнитных полей от проводов в лаборатории или поиск дефектов в материале.