Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben met elkaar in verband gebracht, of "verstrikt, " de mechanische beweging en elektronische eigenschappen van een klein blauw kristal, waardoor het een kwantumvoordeel krijgt bij het meten van elektrische velden met een recordgevoeligheid die het begrip van het universum kan verbeteren.

De kwantumsensor bestaat uit 150 berylliumionen (elektrisch geladen atomen) opgesloten in een magnetisch veld, dus ordenen ze zichzelf tot een plat 2D-kristal met een diameter van slechts 200 miljoenste van een meter. Quantumsensoren zoals deze hebben het potentieel om signalen van donkere materie te detecteren - een mysterieuze substantie die zou kunnen blijken te zijn, onder andere theorieën, subatomaire deeltjes die interageren met normale materie via een zwak elektromagnetisch veld. De aanwezigheid van donkere materie kan ervoor zorgen dat het kristal op veelbetekenende manieren gaat wiebelen, onthuld door collectieve veranderingen tussen de ionen van het kristal in een van hun elektronische eigenschappen, bekend als spin.

Zoals beschreven in het nummer van 6 augustus van Wetenschap , onderzoekers kunnen de vibratie-excitatie van het kristal meten - het platte vlak dat op en neer beweegt als de kop van een trommel - door veranderingen in de collectieve spin te volgen. Het meten van de spin geeft de omvang van de vibratie-excitatie aan, verplaatsing genoemd.

Deze sensor kan externe elektrische velden meten die dezelfde trillingsfrequentie hebben als het kristal met meer dan 10 keer de gevoeligheid van een eerder gedemonstreerde atomaire sensor. (Technisch gezien, de sensor kan in één seconde 240 nanovolt per meter meten.) In de experimenten, onderzoekers passen een zwak elektrisch veld toe om de kristalsensor te prikkelen en te testen. Een zoektocht naar donkere materie zou naar zo'n signaal zoeken.

"Ionenkristallen kunnen bepaalde soorten donkere materie detecteren - voorbeelden zijn axionen en verborgen fotonen - die interageren met normale materie via een zwak elektrisch veld, NIST senior auteur John Bollinger zei. "De donkere materie vormt een achtergrondsignaal met een oscillatiefrequentie die afhangt van de massa van het donkere materiedeeltje. Er zijn al meer dan tien jaar experimenten met supergeleidende circuits aan de gang om naar dit soort donkere materie te zoeken. De beweging van ingesloten ionen zorgt voor gevoeligheid over een ander frequentiebereik."

De groep van Bollinger werkt al meer dan tien jaar met het ionkristal. Wat nieuw is, is het gebruik van een specifiek type laserlicht om de collectieve beweging en spins van een groot aantal ionen te verstrengelen, plus wat de onderzoekers een "tijdomkering" -strategie noemen om de resultaten te detecteren.

Het experiment profiteerde van een samenwerking met NIST-theoreticus Ana Maria Rey, die bij JILA werkt, een gezamenlijk instituut van NIST en de Universiteit van Colorado Boulder. Het theoriewerk was van cruciaal belang om de grenzen van de laboratoriumopstelling te begrijpen, bood een nieuw model voor het begrijpen van het experiment dat geldig is voor grote aantallen ingesloten ionen, en toonde aan dat het kwantumvoordeel voortkomt uit de verstrengeling van spin en beweging, aldus Bollinger.

Rey merkte op dat verstrengeling gunstig is bij het opheffen van de intrinsieke kwantumruis van de ionen., Echter, het meten van de verstrengelde kwantumtoestand zonder de informatie die wordt gedeeld tussen spin en beweging te vernietigen, is moeilijk.

"Om dit probleem te voorkomen, John kan de dynamiek omkeren en de spin en de beweging ontwarren nadat de verplaatsing is toegepast, "Zei Rey. "Deze keer ontkoppelt de omkering de spin en de beweging, en nu heeft de collectieve spin zelf de verplaatsingsinformatie erop opgeslagen, en als we de spins meten, kunnen we de verplaatsing heel precies bepalen. Dit is netjes!"

De onderzoekers gebruikten microgolven om de gewenste waarden van de spins te produceren. Ionen kunnen omhoog draaien (vaak voorgesteld als een pijl die naar boven wijst), naar beneden draaien of andere hoeken, inclusief beide tegelijk, een speciale kwantumtoestand. In dit experiment hadden de ionen allemaal dezelfde spin - eerst omhoog en dan horizontaal - dus als ze opgewonden waren, roteerden ze samen in een patroon dat kenmerkend is voor tollen.

Gekruiste laserstralen, met een verschil in frequentie dat bijna hetzelfde was als de beweging, werden gebruikt om de collectieve spin met de beweging te verstrengelen. Het kristal werd vervolgens trillingsgeëxciteerd. Dezelfde lasers en microgolven werden gebruikt om de verstrengeling ongedaan te maken. Om te bepalen hoeveel het kristal bewoog, onderzoekers maten het spin-niveau van fluorescentie van de ionen (spin-up verstrooit licht, spin-down is donker).

In de toekomst, het aantal ionen verhogen tot 100, 000 door het maken van 3D-kristallen zal naar verwachting het waarnemingsvermogen dertigvoudig verbeteren. In aanvulling, de stabiliteit van de aangeslagen beweging van het kristal kan worden verbeterd, wat het tijdomkeringsproces en de nauwkeurigheid van de resultaten zou verbeteren.

"Als we dit aspect kunnen verbeteren, dit experiment kan een fundamentele bron worden voor het detecteren van donkere materie, " zei Rey. "We weten dat 85% van de materie in het universum uit donkere materie bestaat, maar tot op heden weten we niet waaruit donkere materie bestaat. Dit experiment zou ons in de toekomst in staat kunnen stellen om dit mysterie te onthullen."

Co-auteurs waren onder meer onderzoekers van de Universiteit van Oklahoma.