2D-датчик на квантовом кристалле может охотиться за частицами темной материи
Десятилетия астрофизических наблюдений показывают, что во Вселенной присутствует гораздо больше массы, чем мы можем видеть
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый датчик, который может помочь обнаруживать определенные гипотетические частицы темной материи с помощью двумерного квантового кристалла.
Десятилетия астрофизических наблюдений показывают, что во Вселенной присутствует гораздо больше массы, чем мы можем видеть. Это привело ученых к гипотезе о том, что во Вселенной преобладает странная субстанция, которую называют «темной материей». Она никаким образом не отражает, не преломляет свет и не взаимодействует со светом, а влияет на обычную материю только благодаря своей гравитационной силе.
И хотя количество наблюдательных данных об этом материале продолжает расти, его очень трудно обнаружить напрямую. И это не из-за отсутствия попыток — постоянно предлагаются или проводятся эксперименты, предназначенные для обнаружения различных частиц-кандидатов на основе различных свойств, которые они могут иметь или не иметь.
Многие ученые используют огромные подземные резервуары, наполненные жидкостями, которые могут обнаруживать столкновение проходящей частицы темной материи, в то время как другие используют крошечные маятники, которые фиксируют малейшие отклонения.
Один из ведущих кандидатов на квант темной материи — гипотетическая частица под названием аксион. Модели предполагают, что аксионы будут иметь нейтральный электрический заряд, почти не иметь массы, дрейфовать волнами и, что наиболее важно, иметь слабое влияние на электромагнетизм. Ученые охотились за этой гипотетической частицей с помощью «аксионных радиоприемников», квантовых битов и магнитов в форме пончиков.
И теперь физики NIST разработали новый вид аксионного сенсора. Он состоит из 150 ионов бериллия, захваченных магнитным полем, которое заставляет их располагаться в плоскости толщиной всего 200 микрон.
Под воздействием электрического поля плоскость атомов будет двигаться вверх и вниз, как барабан, поэтому, если их держать изолированными от любых внешних электрических полей, обнаружение этого движения может указывать на то, что через них прошел аксион или другая частица темной материи.
Ученые утверждают, что датчик будет в 10 раз более чувствительным, чем другие аналогичные эксперименты, и сможет обнаруживать электрическое поле силой 240 нановольт на метр за одну секунду. Это может помочь ему обнаружить аксионы в более широком диапазоне частот.
Такая дополнительная чувствительность проистекает из мира квантовой физики. Любое смещение, которое аксион показал бы на ионах, было бы чрезвычайно малым и трудным для измерения, поэтому исследователи использовали квантовую запутанность для усиления сигнала.
Ученые воздействуют на ионы перекрещивающимися лазерными лучами, в результате чего движение ионов становится неразрывно связанным с электронным свойством, называемым «спином». Все ионы были заставлены вращаться «вверх», так что любые изменения их коллективного спина могли выявить любое смещение их движения, вызванное аксионом.
Кроме того, если ионы находятся в состоянии вращения вверх, кристалл будет флуоресцировать, но если они находятся в состоянии вращения вниз, он останется темным. Такая флуоресценция квантового кристалла может показать, прошел ли аксион через инструмент или нет.
Исследователи говорят, что их будущая разработка может повысить чувствительность детектора в 30 раз, создав трехмерные кристаллы, содержащие 100 000 ионов. Если этот эксперимент когда-либо присоединится к охоте за темной материей, он может помочь разгадать тайну этой загадочной субстанции.