Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har länkat samman, eller "intrasslad, "den mekaniska rörelsen och elektroniska egenskaperna hos en liten blå kristall, ger det en kvantförsprång när det gäller att mäta elektriska fält med rekordkänslighet som kan förbättra förståelsen av universum.

Kvantsensorn består av 150 berylliumjoner (elektriskt laddade atomer) inneslutna i ett magnetfält, så de ordnar sig själv till en platt 2D-kristall med bara 200 miljondelar av en meter i diameter. Kvantsensorer som denna har potential att upptäcka signaler från mörk materia - ett mystiskt ämne som kan visa sig vara, bland andra teorier, subatomära partiklar som interagerar med normal materia genom ett svagt elektromagnetiskt fält. Närvaron av mörk materia kan få kristallen att vicka på ett tydligt sätt, avslöjas av kollektiva förändringar bland kristallens joner i en av deras elektroniska egenskaper, känd som spin.

Som beskrivs i numret 6 augusti av Vetenskap , forskare kan mäta vibrationsexcitationen av kristallen – det platta planet som rör sig upp och ner som huvudet på en trumma – genom att övervaka förändringar i det kollektiva spinnet. Att mäta spinnet indikerar omfattningen av vibrationsexciteringen, kallas förskjutning.

Denna sensor kan mäta externa elektriska fält som har samma vibrationsfrekvens som kristallen med mer än 10 gånger så stor känslighet som någon tidigare demonstrerad atomsensor. (Tekniskt, sensorn kan mäta 240 nanovolt per meter på en sekund.) I experimenten, forskare applicerar ett svagt elektriskt fält för att excitera och testa kristallsensorn. En sökning av mörk materia skulle leta efter en sådan signal.

"Jonkristaller kan upptäcka vissa typer av mörk materia - exempel är axioner och dolda fotoner - som interagerar med normal materia genom ett svagt elektriskt fält, "NIST senior författare John Bollinger sade. "Den mörka materien bildar en bakgrundssignal med en oscillationsfrekvens som beror på massan av den mörka materien partikel. Experiment som letar efter denna typ av mörk materia har pågått i mer än ett decennium med supraledande kretsar. Rörelsen av fångade joner ger känslighet över ett annat frekvensområde."

Bollingers grupp har arbetat med jonkristallen i mer än ett decennium. Vad som är nytt är användningen av en specifik typ av laserljus för att snärja in den samlade rörelsen och snurrandet av ett stort antal joner, plus vad forskarna kallar en "time reversal"-strategi för att upptäcka resultaten.

Experimentet gynnades av ett samarbete med NIST-teoretikern Ana Maria Rey, som arbetar på JILA, ett gemensamt institut för NIST och University of Colorado Boulder. Teoriarbetet var avgörande för att förstå gränserna för laboratorieupplägget, erbjöd en ny modell för att förstå experimentet som är giltigt för ett stort antal fångade joner, och visade att kvantfördelen kommer från att trassla in spinn och rörelse, sa Bollinger.

Rey noterade att intrassling är fördelaktig för att eliminera jonernas inneboende kvantbrus., Dock, Det är svårt att mäta det intrasslade kvanttillståndet utan att förstöra informationen som delas mellan spinn och rörelse.

"För att undvika detta problem, John kan vända dynamiken och distrahera spinnet och rörelsen efter att förskjutningen applicerats, " sa Rey. "Den här gången frikopplar reversering spinnet och rörelsen, och nu har själva den kollektiva snurren förskjutningsinformationen lagrad på den, och när vi mäter snurren kan vi bestämma förskjutningen mycket exakt. Det här är snyggt!"

Forskarna använde mikrovågor för att producera önskade värden för snurrarna. Joner kan snurras upp (ofta tänkt som en pil som pekar uppåt), snurra ner eller andra vinklar, inklusive båda samtidigt, ett speciellt kvanttillstånd. I det här experimentet hade jonerna alla samma snurr - först snurrade uppåt och sedan horisontellt - så när de var upphetsade roterade de tillsammans i ett mönster som är karakteristiskt för snurrorna.

Korsade laserstrålar, med en skillnad i frekvens som var nästan densamma som rörelsen, användes för att trassla in det kollektiva snurret med rörelsen. Kristallen var sedan vibrationsexiterad. Samma lasrar och mikrovågor användes för att lösa intrasslingen. För att avgöra hur mycket kristallen rörde sig, forskare mätte jonernas spinnnivå av fluorescens (spin up sprider ljus, spin down är mörkt).

I framtiden, öka antalet joner till 100, 000 genom att göra 3D-kristaller förväntas förbättra avkänningsförmågan trettiofaldigt. Dessutom, stabiliteten för kristallens exciterade rörelse kan förbättras, vilket skulle förbättra tidsomkastningsprocessen och precisionen i resultaten.

"Om vi ​​kan förbättra den här aspekten, detta experiment kan bli en grundläggande resurs för att upptäcka mörk materia, "Rey sa." Vi vet att 85% av materien i universum är gjord av mörk materia, men hittills vet vi inte vad mörk materia är gjord av. Detta experiment skulle kunna tillåta oss att i framtiden avslöja detta mysterium."

Medförfattare inkluderade forskare från University of Oklahoma.