Квантовый кристалл может раскрыть сущность темной материи

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.