Фізики з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) розробили новий датчик, який може допомогти виявляти певні гіпотетичні частинки темної матерії за допомогою почесного квантового кристала.
Десятиліття астрофізичних спостережень показують, що у Всесвіті присутні набагато більше маси, ніж ми можемо бачити. Це призвело вчених до гіпотези про те, що у Всесвіті переважає дивна субстанція, яку називають «темною матерією». Вона ніяким чином не відображає, не ламає світло і не взаємодіє зі світлом, а впливає на звичайну матерію тільки завдяки своїй гравітаційній силі.
І хоча кількість спостережних даних про цей матеріал продовжує зростати, його дуже важко виявити безпосередньо. І це не через відсутність спроб - постійно пропонуються або проводяться експерименти, призначені для виявлення різних частинок-кандидатів на основі різних властивостей, які вони можуть мати або не мати.
Багато вчених використовують величезні підземні резервуари, наповнені рідинами, які можуть виявляти зіткнення прохідної частинки темної матерії, в той час як інші використовують крихітні маятники, які фіксують найменші відхилення.
Один з провідних кандидатів на квант темної матерії - гіпотетична частинка під назвою аксіон. Моделі припускають, що аксиони будуть мати нейтральний електричний заряд, майже не мати маси, дрейфувати хвилями і, що найбільш важливо, мати слабкий вплив на електромагнетизм. Вчені полювали за цією гіпотетичною часткою за допомогою «аксійних радіоприймачів», квантових бітів і магнітів у формі пончиків.
І тепер фізики NIST розробили новий вид аксійного сенсора. Він складається зі 150 іонів берилію, захоплених магнітним полем, яке змушує їх розташовуватися в площині товщиною всього 200 мікрон.
Під впливом електричного поля площина атомів буде рухатися вгору і вниз, як барабан, тому, якщо їх тримати ізольованими від будь-яких зовнішніх електричних полів, виявлення цього руху може вказувати на те, що через них пройшов аксіон або інша частинка темної матерії.
Вчені стверджують, що датчик буде в 10 разів більш чутливим, ніж інші аналогічні експерименти, і зможе виявляти електричне поле силою 240 нановольт на метр за одну секунду. Це може допомогти йому виявити аксиони в більш широкому діапазоні частот.
Така додаткова чутливість спливає зі світу квантової фізики. Будь-яке зміщення, яке аксіон показав би на іонах, було б надзвичайно малим і важким для вимірювання, тому дослідники використовували квантову заплутаність для посилення сигналу.
Вчені впливають на іони лазерними променями, що перехрещуються, в результаті чого рух іонів стає нерозривно пов'язаним з електронною властивістю, званою «спином». Всі іони були змушені обертатися «вгору», так що будь-які зміни їх колективного спина могли виявити будь-яке зміщення їх руху, викликане аксіоном.
Крім того, якщо іони знаходяться в стані обертання вгору, кристал буде флуоресціювати, але якщо вони знаходяться в стані обертання вниз, він залишиться темним. Така флуоресценція квантового кристала може показати, пройшов аксіон через інструмент чи ні.
Дослідники кажуть, що їхня майбутня розробка може підвищити чутливість детектора в 30 разів, створивши тривимірні кристали, що містять 100 000 іонів. Якщо цей експеримент коли-небудь приєднається до полювання за темною матерією, він може допомогти розгадати таємницю цієї загадкової субстанції.
Дослідження було опубліковано в журналі Science.