Forskare har kunnat observera universum och fastställa att cirka 80 % av dess massa verkar vara "mörk materia, "som utövar en gravitationskraft men inte interagerar med ljus, och kan därför inte ses med teleskop. Vår nuvarande förståelse av kosmologi och kärnfysik tyder på att mörk materia kan vara gjord av axioner, hypotetiska partiklar med ovanliga symmetriegenskaper.

I en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev och markeras som ett redaktörsförslag, ICFO-forskare Pau Gomez, Ferran Martin, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes, och Silvana Palacios, leds av ICREA-professor vid ICFO Morgan W. Mitchell, rapport om hur man söker efter axioner med de unika egenskaperna hos Bose-Einstein-kondensat (BEC).

Axionen, om det finns, skulle innebära "exotiska spinnberoende krafter". Magnetism, den mest kända spinnberoende kraften, får elektroner att rikta sina snurr längs magnetfältet, som en kompassnål som pekar norrut. Magnetism bärs av virtuella fotoner, medan "exotiska" spinnberoende krafter skulle bäras av virtuella axioner (eller axionsliknande partiklar). Dessa krafter skulle verka på både elektroner och kärnor, och skulle produceras inte bara av magneter, men också av vanliga materia. För att veta om axioner existerar, ett bra sätt är att titta och se om kärnor föredrar att peka mot annan materia.

Flera experiment söker redan efter dessa krafter, med hjälp av "komagnetometrar, " som är parade magnetiska sensorer på samma plats. Genom att jämföra de två sensorernas signaler, effekten av det vanliga magnetfältet kan upphävas, lämnar bara effekten av den nya kraften. Än så länge, komagnetometrar har bara kunnat leta efter spinnberoende krafter som når ungefär en meter eller mer. För att leta efter korta spinnberoende krafter, en mindre komagnetometer behövs.

Bose Einstein Condensates (BEC) är gaser som kyls nästan till absolut noll. Eftersom BEC är överflödiga, deras ingående atomer är fria att rotera i flera sekunder utan friktion, vilket gör dem exceptionellt känsliga för både magnetfält och nya exotiska krafter. En BEC är också väldigt liten, ca 10 mikrometer i storlek. För att göra en BEC-komagnetometer, dock, kräver att lösa ett knepigt problem:hur man sätter två BEC-magnetometrar i samma lilla volym.

I deras studie, Gomez och hans kollegor rapporterar att de kunde lösa detta problem genom att använda två olika interna tillstånd av samma 87Rb BEC, var och en fungerar som en separat men samlokaliserad magnetometer. Resultaten av experimentet bekräftar den förutsagda höga immuniteten mot brus från det vanliga magnetfältet och förmågan att leta efter exotiska krafter med mycket kortare avstånd än i tidigare experiment. Förutom att leta efter axioner, Tekniken kan också förbättra precisionsmätningar av ultrakall kollisionsfysik och studier av kvantkorrelationer i BEC.