Ultraczuły kwantowy czujnik pola elektrycznego pomoże wykryć ciemną materię?
W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) powstał kwantowy detektor, który wykrywa słabe pole elektryczne z czułością ponad 10-krotnie większą niż dotychczas stosowane czujniki. Urządzenie przyda się zarówno w obrazowaniu struktur biologicznych, jak i w fizyce, gdzie może posłużyć m.in. do wykrywania ciemnej materii.
Czujnik zbudowano ze 150 jonów berylu uwięzionych w magnetycznej pułapce. Jony spontanicznie ułożyły się w dwuwymiarowy kryształ o średnicy 200 mikrometrów. Niezwykłą czułość struktury uzyskano poprzez kwantowe splątanie ruchu jonów i ich spinów.
Pomiary zewnętrznego pola elektrycznego dokonywane są poprzez mierzenia wzbudzenia kryształu, który pod jego wpływem zaczyna drgać przesuwając się w górę i w dół na podobieństwo membrany bębna. Badając zmiany spinu naukowcy są w stanie określić stopień wzbudzenia kryształu. Dzięki temu możliwy jest pomiar pól elektrycznych z ponad 10-krotnie większą dokładnością niż najczulszy z dotychczasowych sensorów.
Znaleźliśmy sposób na stworzenie kwantowych stanów splątanych, które są niezwykle czułe na niewielkie przemieszczenia jonów wywoływane słabym polem elektrycznym. To elegancka demonstracja tego, w jaki sposób można wykorzystać efekty kwantowe do uzyskania przewagi nad klasycznymi systemami, wyjaśnia Kevin Gilmore z NIST.
Pomiary rozpoczynają się od wykorzystania mikrofal do nadania spinom wszystkich jonów tej samej wartości. Później za pomocą laserów splątano spiny z ruchem jonów. Następnie całość jest wzbudzana za pomocą oscylującego pola elektrycznego. Gdy kryształ drga, te same mikrofale i lasery są wykorzystywane do usunięcia splątania, a informacje o ruchu jonów trafiają do ich spinów. Spiny łatwo jest mierzyć i to właśnie z nich odczytywane są dane o przemieszczeniu się jonów.
Splątanie jonów pozwala na usunięcie z nich naturalnego kwantowego szumu. Natomiast później splątanie jest usuwane, gdyż pomiar stanu splątanego bez zniszczenia informacji dzielonych pomiędzy spinem a ruchem jonów jest bardzo trudny.
Takie rozwiązanie pozwala na bardzo precyzyjne określenie, na ile pole elektryczne wpłynęło na jony. Gilmore zapewnia, że dzięki takiej architekturze, kryształ może być na tyle czuły, by wykryć obecność aksjonów, hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię, o których sądzi się, że generują niewielkie oscylujące pola elektryczne.
Teraz, gdy naukowcy wykazali, że ich architektura działa, rozpoczęli prace nad zbudowaniem większego czujnika. Ich celem jest stworzenie trójwymiarowego kryształu złożonego z około 100 000 jonów. W ten sposób czułość urządzenia powinno zwiększyć się jeszcze 30-krotnie. Jednocześnie staramy się usunąć dominujące źródło szumu, którym są fluktuacje częstotliwości kryształu. Niewykluczone, że w trójwymiarowym krysztale jony będą lepiej schłodzone, co powinno zmniejszyć te fluktuacje, dodaje Gilmore.
Jeśli uda się zbudować taki trójwymiarowy kryształ i usunąć z niego dominujące źródło szumu to urządzenie może zostać wykorzystane do wykrywania ciemnej materii. Wiemy, że 85% materii we wszechświecie to ciemna materia. Nie wiemy jednak, z czego jest ona zbudowana. Nasz czujnik może w przyszłości pozwolić na odkrycie tej tajemnicy, stwierdziła teoretyk Ana Maria Rey z Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), jednego z wiodących amerykańskich instytucji badawczych w dziedzinie fizyki.
Wyniki badań szczegółowo opisano na łamach Science.
Komentarze (0)