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NIST量子晶体可能成为一种新的暗物质传感器

1859    2021-09-09    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家们已经将一种微小蓝色晶体的机械运动和电子特性联系在一起,或者说“纠缠在一起”,使其在测量电场方面具有创纪录的灵敏度,从而能够增强对宇宙的理解。

NIST物理学家John Bollinger(左)和Matt Affolter正在调整用于捕获和探测大磁室中铍离子的激光和光学阵列(左)

图片作者:R. Jacobson/NIST

量子传感器由150个铍离子(带电原子)组成,这些铍离子被限制在一个磁场中,因此它们会自行排列成一个直径仅0.5×10-6 m的平面二维晶体。像这样的量子传感器有可能探测到来自暗物质的信号。

暗物质是一种神秘的物质,在其他理论中,它可能是通过弱电磁场与正常物质相互作用的亚原子粒子。暗物质的存在可能会导致晶体以一种明显的方式摆动,这可以通过晶体中离子的一种电子特性的集体变化来揭示,这种电子特性被称为自旋。

正如8月6日的《科学》杂志所描述的,研究人员可以通过监测集体自旋的变化来测量晶体的振动激发——像鼓面一样上下移动的平面。测量自旋表明振动激发的程度,称为位移。

该传感器可以测量与晶体振动频率相同的外部电场,其灵敏度是之前演示过的原子传感器的10倍以上。(从技术上讲,该传感器可以在1 s内测量到240 nV/m。)在实验中,研究人员采用弱电场刺激和测试晶体传感器,暗物质搜索将寻找这样的信号。

NIST的资深作者John Bollinger说:“离子晶体可以探测到某些类型的暗物质,例如轴子和隐藏的光子,它们通过弱电场与正常物质相互作用。暗物质形成了一个背景信号,其振荡频率取决于暗物质粒子的质量。通过超导电路寻找这种暗物质的实验已经进行了十多年,被捕获离子的运动提供了不同频率范围内的灵敏度。”

Bollinger的团队已经研究离子晶体超过十年。新的发现是使用一种特殊类型的激光来纠缠大量离子的集体运动和自旋,再加上研究人员所谓的“时间逆转”策略来检测结果。

这项实验得益于与NIST理论家Ana Maria Rey的合作。Ana Rey就职于NIST和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所——JILA。Bollinger说,这项理论工作对于理解实验室设置的限制至关重要,为理解对大量捕获离子有效的实验提供了一个新模型,并证明了量子优势来自于自旋和运动的纠缠。

Rey 指出,纠缠有助于消除离子的固有量子噪声。然而,在不破坏自旋和运动之间共享信息的情况下测量纠缠量子态是困难的。

“为了避免这个问题,John能够逆转动力学,并在施加位移后解除旋转和运动。”Rey说道,“这次反转将自旋和运动解耦,现在集体自旋本身就存储了位移信息,当测量自旋时,我们可以非常精确地确定位移,这很简便!”

NIST量子传感器由捕获的铍离子(红点)自排列成一个二维晶体

图片作者:S. Burrows/JILA

研究人员使用微波来产生所需的自旋值。离子可以是向上自旋(通常想象成一个向上的箭头)、向下自旋或其他角度,同时包括两种特殊的量子态。在这个实验中,所有的离子都有相同的自旋——首先是向上自旋,然后是水平自旋——所以当被刺激时,它们以旋转陀螺的特征一起旋转。

频率几乎与运动相同的交叉激光束被用来使集体自旋与运动纠缠在一起,然后晶体被振动激发,使用相同的激光和微波来解除纠缠。为了确定晶体移动了多少,研究人员测量了离子的荧光自旋水平(自旋向上散射光,自旋向下散射暗)。

在未来,通过制造3D晶体,将离子数量增加到10万个,预计可将传感能力提高30倍。此外,还可以提高晶体的激发运动稳定性,从而提高时间反转过程和结果的精度。

Rey 说:“如果我们能够改善这一方面,这个实验可以成为探测暗物质的基础资源。我们知道宇宙中85%的物质是由暗物质组成的,但到目前为止,我们不知道暗物质是由什么组成的。这个实验可以让我们在未来揭开这个谜团。”



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