Новый квантовый кристалл поможет раскрыть природу темной материи
Ученые разработали новый квантовый кристаллический датчик, который может содержать ключ к обнаружению присутствия темной материи. Поскольку большая часть Вселенной состоит из темной материи, открытие ее природы может разгадать одну из древнейших загадок в астрономии.
Новый квантовый кристалл обладает в 10 раз большей чувствительностью, чем ранее представленные. Для этого ученые сгруппировали электронные свойства и механическое движение очень маленького голубого кристалла, придав ему способность измерять электрические поля с рекордной чувствительностью. Новый квантовый датчик удерживает 150 ионов бериллия в магнитном поле, позволяя им самоорганизовываться в плоский двумерный кристалл диаметром всего 200×10-6 долей метра. Этот вид квантового датчика потенциально может выявить признаки таинственной темной материи, составляющую большую часть Вселенной, и может состоять из субатомных частиц, которые воздействуют на нормальную материю посредством слабого электромагнитного поля.
Когда темная материя будет обнаружена специальным механизмом на основе этого кристалла, то в нем будет возникать так называемое «шевеление», наблюдаемое в коллективных изменениях ионов через одно из их электронных свойств, называемое спином. Исследователи могут обнаружить вибрационное возбуждение (смещение). Датчик темной материи может контролировать и измерять внешние электрические поля, обладающие той же частотой вибрации, что и кристалл, с чувствительностью, более чем в 10 раз превышающей чувствительность любого атомного датчика, продемонстрированного в прошлом. Во время своих экспериментов исследователи использовали слабое электрическое поле для возбуждения кристалла и проверки датчика. Оказалось, что ионные кристаллы могут обнаруживать, например, скрытые фотоны, которые взаимодействуют с обычной материей в условиях слабого электрического поля.
Темная материя, когда ее обнаружит датчик, создаст определенный фоновый сигнал с частотой колебаний, зависящей от массы частицы темной материи. Движение захваченных ионов обеспечит чувствительность в различном диапазоне частот. Ученые долгое время работали над новым ионным кристаллом и только недавно добавили использование лазерного света для запутывания коллективных спинов и движений большого числа ионов, что, в дополнение к стратегии «обращения времени», улучшило метод обнаружения темной материи.
Новый эксперимент продвигался вперед каждый раз, как совершенствовалось аналитическое оборудование. Со временем расширялись пределы лабораторных установок, обеспечивая создание новых моделей для понимания того, какой эксперимент может дать достоверные результаты для большого количества захваченных ионов. Работа ученых доказала, что квантовое преимущество исходит от запутывания движения и вращения.
