Фото: Jacobson/NIST
Квантовый датчик состоит из 150 ионов бериллия (электрически заряженных атомов), заключенных в магнитном поле, так что они самостоятельно расположить в плоский 2D кристалла всего 200 миллионных долей метра в диаметре. Такие квантовые сенсоры могут обнаруживать сигналы от темной материи — загадочного вещества, которое может оказаться, среди других теорий, субатомными частицами, которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электромагнитное поле. Присутствие темной материи может вызывать колебания кристалла характерным образом, что проявляется в коллективных изменениях между ионами кристалла в одном из их электронных свойств, известном как спин.
Как описано в выпуске журнала Science от 6 августа , исследователи могут измерить колебательное возбуждение кристалла — плоскую плоскость, движущуюся вверх и вниз, как головка барабана, — путем отслеживания изменений в коллективном вращении. Измерение вращения показывает степень колебательного возбуждения, называемого смещением.
Этот датчик может измерять внешние электрические поля, которые имеют ту же частоту вибрации, 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 мог бы найти такой сигнал.
«Ионные кристаллы могут обнаруживать определенные типы темной материи — примерами являются аксионы и скрытые фотоны, — которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электрическое поле», — сказал старший автор NIST Джон Боллинджер. «Темная материя формирует фоновый сигнал с частотой колебаний, которая зависит от массы частицы темной материи. Эксперименты по поиску этого типа темной материи продолжаются более десяти лет со сверхпроводящими цепями. Движение захваченных ионов обеспечивает чувствительность в другом диапазоне частот «,- разъяснил ученый.
