Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) связали воедино или “перепутали” механическое движение и электронные свойства крошечного голубого кристалла, придав ему квантовое преимущество в измерении электрических полей с рекордной чувствительностью. Это может улучшить понимание Вселенной.
Сообщается, что квантовый датчик состоит из 150 ионов бериллия (электрически заряженных атомов), заключенных в магнитном поле, поэтому они самоорганизуются в плоский двумерный кристалл диаметром всего 200 миллионных долей метра. Квантовые датчики, подобные этому, способны обнаруживать сигналы от темной материи — таинственной субстанции, которая может оказаться, среди прочих теорий, субатомными частицами, взаимодействующими с нормальной материей через слабое электромагнитное поле. Присутствие темной материи может привести к заметному колебанию кристалла, о чем свидетельствуют коллективные изменения ионов кристалла в одном из их электронных свойств, известном как спин.
Учёные могут измерить колебательное возбуждение кристалла — плоскости, движущейся вверх и вниз, как головка барабана, – отслеживая изменения в коллективном вращении. Измерение спина указывает на степень вибрационного возбуждения, называемого смещением.
Этот датчик может измерять внешние электрические поля, которые имеют ту же частоту колебаний, что и кристалл, с более чем в 10 раз большей чувствительностью, чем любой ранее продемонстрированный атомный датчик. (Технически датчик может измерять 240 нановольт на метр за одну секунду.) В экспериментах исследователи применяют слабое электрическое поле для возбуждения и проверки кристаллического датчика. Поиск темной материи будет искать такой сигнал.
Группа Боллинджера работает с ионным кристаллом уже более десяти лет. В будущем ожидается, что увеличение числа ионов до 100 000 за счет создания 3D-кристаллов улучшит способность зондирования в тридцать раз. Кроме того, стабильность возбужденного движения кристалла может быть улучшена, что повысит процесс обращения времени и точность результатов.
