Ciemna materio, jak cię złapać?

Kwantowy kryształ wykryje ciemną materię?

Ciemna materia istnieje, choć wciąż nie jesteśmy w stanie jej wykryć. Być może uda się to dzięki specjalnemu czujnikowi kwantowemu, pozwalającemu na pomiar pól elektrycznych z rekordową czułością.

Fizycy z National Institute of Standards and Technology (NIST) połączyli ruch mechaniczny i właściwości elektroniczne niewielkiego niebieskiego kryształu, tworząc tym samym superczuły czujnik kwantowy. Może on pomóc w zrozumieniu początków Wszechświata i odkrycia tajemnic ciemnej materii. Wyniki badań zostały już opublikowane w Science.

Czujnik, jakiego nie było

Czujnik kwantowy opracowany przez naukowców z NIST składa się ze 150 jonów berylu zamkniętych w polu magnetycznym. Naładowane atomy samoczynnie układają się w płaski kryształ 2D o średnicy zaledwie 200 milionowych części metra. To zapewnia poziom czułości niedostępny dla innych tego typu urządzeń, co może okazać się przydatne do wykrywania sygnałów ciemnej materii.

Fizycy od dawna postulują istnienie ciemnej materii, która może składać się (między innymi) z cząstek subatomowych, które oddziałują ze zwykłą materią poprzez słabe pole elektromagnetyczne. Wykrycie ciemnej materii sprawi, że kryształ będzie się poruszał w konkretny sposób, wpływając na spin jonów.

Ilustracja czujnika kwantowego NIST zbudowanego z uwięzionych jonów berylu (czerwone kropki) samoczynnie ułożonych w kryształ 2D

Nowo opracowany czujnik może mierzyć zewnętrzne pola elektryczne, które mają tę samą częstotliwość drgań co kryształ, z ponad 10-krotnie większą czułością niż jakikolwiek wcześniej zademonstrowany czujnik atomowy. Technicznie rzecz biorąc, czujnik może mierzyć 240 nanowoltów na metr w ciągu jednej sekundy.

Kryształy jonowe mogłyby wykryć pewne rodzaje ciemnej materii – przykładem są aksjony i ukryte fotony – które oddziałują ze zwykłą materią poprzez słabe pole elektryczne. Ciemna materia tworzy sygnał tła o częstotliwości oscylacji, która zależy od masy cząstki ciemnej materii. Eksperymenty poszukujące tego typu ciemnej materii trwają od ponad dekady z wykorzystaniem obwodów nadprzewodzących. Ruch uwięzionych jonów zapewnia czułość w innym zakresie częstotliwości.

John Bollinger z NIST

Grupa Bollingera pracuje z ultraczułym kryształem jonowym już od dekady. Nowością jest wykorzystanie specyficznego rodzaju światła laserowego do splątania spinów dużej liczby jonów, oraz to, co badacze nazywają strategią „odwrócenia czasu” w celu wykrycia rezultatów.

Przełom coraz bliżej

W eksperymencie wykorzystano prace Any Marii Rey, która pracuje w JILA, wspólnym instytucie NIST i University of Colorado Boulder. Miały one kluczowe znaczenie dla zrozumienia ograniczeń konfiguracji laboratoryjnej, zaoferowały nowy model rozumienia eksperymentu, który jest ważny dla dużej liczby uwięzionych jonów oraz wykazały, że kwantowa przewaga wynika ze splątania spinu i ruchu. Rey zauważyła, że splątanie jest korzystne w niwelowaniu wewnętrznego szumu kwantowego jonów. Ale pomiar splątanego stanu kwantowego bez zniszczenia informacji jest trudny.

Aby uniknąć tego problemu, John jest w stanie odwrócić dynamikę i rozdzielić spin i ruch po zastosowaniu przemieszczenia. To odwrócenie czasu rozłącza spin i ruch – teraz sam kolektywny spin ma zapisaną informację o przemieszczeniu, a kiedy mierzymy spiny, możemy bardzo dokładnie określić przemieszczenie.

Ana Maria Rey

Do wytworzenia konkretnych wartości spinów użyto mikrofal. Wszystkie jony miały ten sam spin, więc kiedy zostały wzbudzone, obracały się jednocześnie, tworząc charakterystyczny wzór. Aby określić, jak bardzo kryształ się poruszył, badacze zmierzyli poziom fluorescencji jonów. Czułość niezwykłego sensora może być jeszcze większa – zwiększenie liczby jonów do 100 000 poprzez tworzenie kryształów 3D ma poprawić zdolność detekcji nawet 30 razy.

Jeśli uda nam się poprawić ten aspekt, eksperyment ten może stać się fundamentalnym zasobem do wykrywania ciemnej materii. Wiemy, że 85% materii we wszechświecie jest zbudowana z ciemnej materii, ale do tej pory nie wiemy, z czego składa się ciemna materia. Ten eksperyment może pozwolić nam w przyszłości na rozwiązanie tej tajemnicy.

Ana Maria Rey