Οι φυσικοί στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) συσχέτισαν ή «μπλέκουν» τη μηχανική κίνηση και τις ηλεκτρονικές ιδιότητες ενός μικρού μπλε κρυστάλλου, δίνοντάς του ένα κβαντικό πλεονέκτημα στη μέτρηση ηλεκτρικών πεδίων με ευαισθησία καταγραφής που μπορεί να προωθήσει την κατανόηση του σύμπαν.
Ο κβαντικός αισθητήρας αποτελείται από 150 ιόντα βηρυλλίου (ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα) παγιδευμένα σε μαγνητικό πεδίο, έτσι είναι αυτοδιαταγμένα σε έναν επίπεδο, δισδιάστατο κρύσταλλο με διάμετρο 200 εκατομμυριοστά του μέτρου. Κβαντικοί αισθητήρες όπως αυτός έχουν την ικανότητα να ανιχνεύουν σήματα από τη σκοτεινή ύλη – μια μυστηριώδη ουσία που, μεταξύ άλλων θεωριών, μπορεί να μετατραπεί σε υποατομικά σωματίδια που αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη μέσω ενός αδύναμου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η παρουσία σκοτεινής ύλης μπορεί να προκαλέσει τη δόνηση του κρυστάλλου με διεγερτικούς τρόπους, που αποκαλύπτεται από τις συλλογικές αλλαγές μεταξύ των ιόντων του κρυστάλλου σε μία από τις ηλεκτρονικές του ιδιότητες, γνωστή ως περιστροφή.
Όπως φαίνεται στο τεύχος 6 Αυγούστου 2021, από ΕπιστήμεςΠαρατηρώντας τις αλλαγές στην περιστροφή μάζας, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν τη δόνηση του κρυστάλλου – το επίπεδο επίπεδο που κινείται πάνω και κάτω σαν κυλινδροκεφαλή. Η γυρομετρία υποδηλώνει την έκταση της διέγερσης των κραδασμών, η οποία υποδηλώνεται με μετατόπιση.
Απεικόνιση ενός κβαντικού κρυστάλλου NIST. Πίστωση: Μπάροουζ/Τζίλα
Αυτός ο αισθητήρας μπορεί να μετρήσει εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία της ίδιας συχνότητας δόνησης με τον κρύσταλλο με πάνω από 10 φορές την ευαισθησία από οποιονδήποτε προηγουμένως αποδεδειγμένο ατομικό αισθητήρα. (Τεχνικά, ο αισθητήρας μπορεί να μετρήσει 240 nanovolts ανά μέτρο σε ένα δευτερόλεπτο.) Στα πειράματα, οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα ασθενές ηλεκτρικό πεδίο για να διεγείρουν και να δοκιμάσουν τον κρυσταλλικό αισθητήρα. Μια αναζήτηση σκοτεινής ύλης θα έψαχνε ένα τέτοιο σήμα.
“Οι κρύσταλλοι ιόντων μπορούν να ανιχνεύσουν ορισμένους τύπους σκοτεινής ύλης – παραδείγματα άξονες και κρυμμένα φωτόνια – που αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μέσω ενός αδύναμου ηλεκτρικού πεδίου”, δήλωσε ο John Bollinger, ανώτερος συγγραφέας του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST). Η σκοτεινή ύλη σχηματίζει ένα σήμα υποβάθρου με συχνότητα ταλάντωσης που εξαρτάται από τη μάζα του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης. Τα πειράματα που αναζητούν αυτόν τον τύπο σκοτεινής ύλης συνεχίζονται για περισσότερο από μια δεκαετία χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα κυκλώματα. Η κίνηση των παγιδευμένων ιόντων παρέχει ευαισθησία σε διαφορετικό εύρος συχνοτήτων ».
Ο όμιλος Bollinger συνεργάζεται με ιονικό κρύσταλλο για πάνω από μια δεκαετία. Καινούργια είναι η χρήση συγκεκριμένου τύπου φωτός λέιζερ για να μπλέξει τη συλλογική κίνηση και περιστροφή μεγάλου αριθμού ιόντων, καθώς και αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν στρατηγική «αντιστροφής χρόνου» για να ανακαλύψουν τα αποτελέσματα.
Απεικόνιση ενός κβαντικού κρυστάλλου NIST. Πίστωση: Μπάροουζ/Τζίλα
Το πείραμα επωφελήθηκε από τη συνεργασία με τη θεωρητική της NIST Anna Maria Ray, η οποία εργάζεται στο JILA, ένα κοινό ινστιτούτο μεταξύ της NIST και του Πανεπιστημίου του Colorado Boulder. Η θεωρητική εργασία ήταν ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των ορίων του εργαστηριακού περιβάλλοντος, έδωσε ένα νέο παράδειγμα για την κατανόηση της έγκυρης εμπειρίας μεγάλου αριθμού παγιδευμένων ιόντων και έδειξε ότι το κβαντικό πλεονέκτημα προέρχεται από τη διαπλοκή περιστροφής και κίνησης, είπε ο Bollinger.
Ο Ray σημείωσε ότι η διαπλοκή είναι χρήσιμη για την ακύρωση του εγγενή κβαντικού θορύβου των ιόντων. Ωστόσο, η μέτρηση της μπλεγμένης κβαντικής κατάστασης χωρίς να καταστραφούν οι πληροφορίες που μοιράζονται μεταξύ περιστροφής και κίνησης είναι πρόκληση.
“Για να αποφύγει αυτό το πρόβλημα, ο John είναι σε θέση να αντιστρέψει τη δυναμική και να μπερδέψει την περιστροφή και την κίνηση μετά την εφαρμογή της μετατόπισης”, δήλωσε ο Ray. “Αυτός ο αντανακλαστικός χρόνος διαχωρίζει το τύλιγμα και την κίνηση, και τώρα η ίδια η περιστροφή μάζας έχει αποθηκευμένες τις πληροφορίες μετατόπισης, και όταν μετράμε τις περιελίξεις μπορούμε να προσδιορίσουμε την μετατόπιση με μεγάλη ακρίβεια. Αυτό είναι τακτοποιημένο!”
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροκύματα για να παράγουν τις επιθυμητές τιμές περιστροφής. Τα ιόντα μπορούν να περιστρέφονται προς τα πάνω (συχνά απεικονίζονται ως ένα βέλος που δείχνει προς τα πάνω), να περιστρέφονται προς τα κάτω ή άλλες γωνίες, συμπεριλαμβανομένων και των δύο ταυτόχρονα, μια ειδική κβαντική κατάσταση. Σε αυτό το πείραμα, όλα τα ιόντα είχαν την ίδια περιστροφή – πρώτα περιστρέφονταν προς τα πάνω και στη συνέχεια οριζόντια – έτσι όταν ενθουσιάστηκαν, περιστρέφονται μαζί σε ένα χαρακτηριστικό μοτίβο περιστροφικών κορυφών.
Διασταυρούμενες δέσμες λέιζερ, με διαφορά συχνότητας που ήταν περίπου ίδιες με την κίνηση, χρησιμοποιήθηκαν για να συσχετίσουν την περιστροφή μάζας με την κίνηση. Τότε ο κρύσταλλος συγκινήθηκε με δόνηση. Τα ίδια λέιζερ και μικροκύματα χρησιμοποιήθηκαν για να ξεμπερδέψουν. Για να καθορίσουν πόσο κινείται ο κρύσταλλος, οι ερευνητές μέτρησαν το επίπεδο περιστροφής των ιόντων στον φθορισμό (το περιστρέφει προς τα πάνω σκορπίζει το φως, το γύρισμα προς τα κάτω κάνει το σκοτάδι).
Στο μέλλον, η αύξηση του αριθμού των ιόντων σε 100.000 με την κατασκευή τρισδιάστατων κρυστάλλων αναμένεται να βελτιώσει την ικανότητα ανίχνευσης τριάντα φορές. Επιπλέον, η σταθερότητα της διεγερμένης κρυσταλλικής κίνησης μπορεί να βελτιωθεί, πράγμα που θα ενισχύσει τη διαδικασία αντιστροφής χρόνου και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων.
“Εάν μπορέσουμε να βελτιωθούμε σε αυτήν την πτυχή, αυτό το πείραμα θα μπορούσε να γίνει ένας βασικός πόρος για την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης”, είπε ο Ray. Γνωρίζουμε ότι το 85% της ύλης στο σύμπαν αποτελείται από σκοτεινή ύλη, αλλά μέχρι στιγμής δεν ξέρουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη. Στο μέλλον, αυτό το πείραμα μπορεί να μας επιτρέψει να ξεδιαλύνουμε αυτό το μυστήριο ».
Συν-συγγραφείς περιλάμβαναν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα. Αυτή η εργασία υποστηρίζεται εν μέρει από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας, την Υπηρεσία Έρευνας Προηγμένων Αμυντικών Αμυντικών, το Γραφείο Έρευνας του Στρατού και το Εθνικό Scienceδρυμα Επιστημών.
Αναφορά: «Ενισχυμένη κβαντική ανίχνευση μετατοπίσεων και ηλεκτρικών πεδίων με 2D παγιδευμένους κρυστάλλους ιόντων» από τους K.A. Gilmore, M. Affolter, R.J. Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey, and J.J. Bollinger., 5 Αυγούστου 2021 , ΕπιστήμεςΕ
DOI: 10.1126 / science.abi5226
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”