Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har "blixtfryst" en platt kristall av 150 berylliumjoner (elektriskt laddade atomer), öppnar nya möjligheter för att simulera magnetism på kvantskala och känna av signaler från mystisk mörk materia.

Många forskare har försökt i årtionden att kyla vibrerande föremål som är tillräckligt stora för att vara synliga för blotta ögat till den punkt där de har den minsta rörelse som kvantmekaniken tillåter, teorin som styr materiens beteende på atomär skala. Ju kallare desto bättre, eftersom det gör enheten känsligare, mer stabil och mindre förvrängd, och därför, mer användbar för praktiska tillämpningar. Tills nu, dock, forskare har bara kunnat minska ett fåtal typer av vibrationer.

I NIST-experimentet, magnetiska och elektriska fält kylde och fångade jonerna så att de bildade en skiva mindre än 250 mikrometer (miljondelar av en meter) i diameter. Skivan anses vara en kristall eftersom jonerna är ordnade i ett regelbundet upprepande mönster.

Som beskrivs i Fysiska granskningsbrev , NIST-forskare kylde kristallen på bara 200 mikrosekunder (miljondelar av en sekund) så att varje jon hade ungefär en tredjedel av energin som bärs av en enda fonon, ett paket rörelseenergi i kristallen. Detta är mycket nära energimängden i det lägsta möjliga kvant "jord" tillståndet för kristallens så kallade "trumskinns" vibrationer, som liknar upp-och-ned-rörelserna hos en slagtrumma.

Forskarna kylde och bromsade alla 150 trumskinnsvibrationer, en för varje jon. (Simuleringsvideon nedan visar åtta exempel på typer av trumskinnsvibrationer.) Arbetet visade att hundratals joner kollektivt kan lugnas med denna teknik, ett betydande framsteg jämfört med föregående demonstration genom att en annan grupp kylde en linje med 18 joner.

För vibrationer vid de frekvenser som kyls i denna demonstration, en tredjedel av energin som bärs av en fonon motsvarar 50 mikrokelvin, eller 50 miljondelar av en grad över absolut noll (minus 459,67 °F eller minus 273,15 °C), sa gruppledaren John Bollinger. Även om det inte är en rekordstor temperatur, denna nivå är nära det kvantmekaniska grundtillståndet för alla trumskinnslägen, vilket betyder att den termiska rörelsen är liten för ett så mycket begränsat system, Bollinger noterade.

För att uppnå så mycket kylning, forskarna riktade två lasrar med specifika frekvenser och effektnivåer mot kristallen. Lasrarna kopplade jonernas energinivåer på ett sådant sätt att de fick jonkristallen att förlora energi utan att öka dess rörelse. För de flesta laserljuspartiklar som sprids av kristallen, jonerna tappade rörelse, kyler kristallen.

Metoden kylde inte andra typer av vibrationer som rörelse från sida till sida av den skivformade kristallen. Men trumskinnsrörelserna har de mest praktiska användningsområdena. Endast trumskinnsvibrationerna används i kvantsimuleringar och kvantsensorer.

Kallare trumskinnsvibrationer kommer att göra jonkristallen till en mer realistisk simulator av kvantmagnetism, vilket kan vara svårt att beräkna på konventionella datorer. Marktillståndskylning bör också möjliggöra mer komplicerade intrasslade kvantsystem, möjliggör bättre mätningar för kvantavkänningsapplikationer.

"En kvantavkänningsapplikation som vi är glada över att undersöka är avkänningen av mycket svaga elektriska fält, Bollinger sa. "Med marktillståndskylning förbättrar vi vår förmåga att känna av elektriska fält på en nivå som möjliggör en sökning efter vissa typer av mörk materia - axioner (hypotetiska subatomära partiklar) och dolda fotoner (ännu osynliga kraftbärare). "

Framtida forskning kommer att försöka kyla tredimensionella kristaller med mycket större antal joner.