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 привести к колебаниям кристалла характерным образом, что обнаруживается коллективными изменениями среди ионов кристалла в одном из их электронных свойств, известном как спин.
Как описано в авг. В 6 выпуске журнала Science исследователи могут измерить колебательное возбуждение кристалла – плоская плоскость, движущаяся вверх и вниз, как головка барабана – путем отслеживания изменений 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 будет искать такой сигнал.
«Ионные кристаллы могут обнаруживать определенные типы темной материи – примерами являются 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."
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, совместном 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, который действительна для большого числа захваченных ионов, и продемонстрировала, что квантовое преимущество исходит из запутывания спина и движения.
Рей отметил, что запутанность полезна для подавления внутреннего квантового шума ионов., Однако измерение запутанного квантового состояния без разрушения информации, совместно используемой спином и движением, затруднено.
«Чтобы избежать этой проблемы, Джон может изменить динамику и разделить вращение и движение после применения смещения», – сказал Рей. «На этот раз 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 аккуратно!"
Исследователи использовали микроволны для получения желаемых значений вращения.
Ионы могут вращаться вверх (часто представляются стрелкой, направленной вверх), вращаться вниз или под другими углами, включая оба одновременно, особое квантовое состояние. В этом эксперименте все ионы имели одинаковый спин – сначала вверх, а затем горизонтальный, поэтому при возбуждении они вращались вместе по схеме, характерной для вращающихся волчков.
Перекрещенные лазерные лучи с разницей в частоте, которая была почти такой же, как и движение, использовались для запутывания коллективного спина с движением. Затем кристалл подвергался колебательному возбуждению.
Те же лазеры и микроволны использовались, чтобы избавиться от запутывания. Чтобы определить, насколько сдвинулся кристалл, исследователи измерили уровень спина флуоресценции ионов (вращение вверх рассеивает свет, вращение вниз – темное).
Ожидается, что в будущем увеличение количества ионов до 100000 за счет создания трехмерных кристаллов улучшит чувствительность в тридцать раз. Кроме того, может быть улучшена стабильность возбужденного движения кристалла, что улучшит процесс обращения времени и точность результатов.
«Если мы сможем улучшить этот аспект, этот эксперимент может стать фундаментальным ресурсом для обнаружения темной материи», – сказал Рей. «Мы знаем, что 85% материи во Вселенной состоит из темной материи, но на сегодняшний день мы не знаем, из чего состоит темная материя.
Этот эксперимент может позволить нам в будущем раскрыть эту тайну."
Соавторами были исследователи из Университета Оклахомы.
Эта работа частично поддержана U.S. Министерство энергетики, Управление научных исследований ВВС, Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов, Управление армейских исследований и Национальный научный фонд.