UNSW kvantingenjörer har utvecklat en ny förstärkare som kan hjälpa andra forskare att söka efter svårfångade partiklar av mörk materia.
Föreställ dig att kasta en boll. Du skulle förvänta dig att vetenskapen skulle kunna räkna ut sin exakta hastighet och plats vid varje givet ögonblick, eller hur? Tja, teorin om kvantmekanik säger att du faktiskt inte kan veta båda med oändlig precision samtidigt.
Det visar sig att när du mer exakt mäter var bollen är, blir vetskapen om dess hastighet mindre och mindre exakt.
Denna gåta kallas vanligtvis för Heisenbergs osäkerhetsprincip, uppkallad efter den berömda fysikern Werner Heisenberg som först beskrev den.
För bollen är denna effekt omärklig, men i kvantvärlden av små elektroner och fotoner blir mätosäkerheten plötsligt mycket betydande.
Det är problemet som tas upp av ett team av ingenjörer vid UNSW Sydney som har utvecklat en förstärkarenhet som utför exakta mätningar av mycket svaga mikrovågssignaler, och den gör det genom en process som kallas squeezing.
Klämning innebär att man minskar säkerheten för en egenskap hos en signal för att få ultraexakta mätningar av en annan egenskap.
Teamet av forskare vid UNSW, ledda av docent Jarryd Pla, har avsevärt ökat noggrannheten för att mäta signaler vid mikrovågsfrekvenser, som de som sänds ut av din mobiltelefon, till den grad att de sätter ett nytt världsrekord.
Precisionen för att mäta vilken signal som helst är i grunden begränsad av brus. Brus är den luddighet som smyger sig in och maskerar signaler, vilket är något du kanske har upplevt om du någonsin har vågat dig utanför räckvidden när du lyssnat på AM- eller FM-radio.
Men osäkerheten i kvantvärlden innebär att det finns en gräns för hur lågt brus som kan göras i en mätning.
"Även i ett vakuum, ett utrymme utan allt, säger osäkerhetsprincipen till oss att vi fortfarande måste ha buller. Vi kallar detta "vakuum"-brus. För många kvantexperiment är vakuumbrus den dominerande effekten som hindrar oss från att göra mer exakta mätningar ", säger A/Prof. Pla från UNSW:s School of Electrical Engineering and Telecommunications, och medförfattare till en artikel publicerad i Nature Communications .
Den squeezer som produceras av UNSW-teamet kan överträffa denna kvantgräns.
"Enheten förstärker brus i en riktning, så att brus i en annan riktning reduceras avsevärt, eller "kläms". Tänk på bruset som en tennisboll, om vi sträcker ut den vertikalt, måste den minska längs horisontalen för att behålla sin volym. Vi kan sedan använda den reducerade delen av bruset för att göra mer exakta mätningar," A/Prof. säger Pla.
"Det avgörande är att vi visade att squeezern kan reducera buller till rekordlåga nivåer."
Enheten var resultatet av mödosamt arbete. Ph.D. kandidaten Arjen Vaartjes, gemensam huvudförfattare på tidningen tillsammans med UNSW-kollegorna Dr. Anders Kringhøj och Dr. Wyatt Vine, tillägger, "Klämning är mycket svårt vid mikrovågsfrekvenser eftersom materialen som används tenderar att förstöra det ömtåliga klämda ljudet ganska lätt.
"Vad vi har gjort är mycket ingenjörskonst för att ta bort källor till förlust, vilket innebär att använda supraledande material av mycket hög kvalitet för att bygga förstärkaren."
Och teamet tror att den nya enheten kan hjälpa till att påskynda sökandet efter notoriskt svårfångade partiklar som kallas axioner, som än så länge bara är teoretiska, men föreslagna av många som den hemliga ingrediensen i mystisk mörk materia.
Axionsmätningar
Att göra exakta mätningar är området för forskare som försöker upptäcka vad som utgör mörk materia, som tros utgöra cirka 27 procent av det kända universum, men förblir ett kosmiskt mysterium eftersom forskare inte har kunnat identifiera det.
Som namnet antyder, varken avger eller absorberar den ljus, vilket är det som gör det "osynligt". Men fysiker tror att den måste vara där och utöva en gravitationskraft, annars skulle galaxer flyga isär.
Det finns många olika teorier om vad mörk materia kan vara gjord av – inklusive den föreslagna förekomsten av så kallade axioner.
Axioner i sig har heller aldrig upptäckts, teorin är att de är nästan outgrundligt små, med en extremt låg massa som en individuell partikel, och därför interagerar praktiskt taget omärkligt med annan känd materia.
En idé förutspår dock att när de utsätts för stora magnetiska fält bör axioner producera mycket svaga mikrovågssignaler. Forskare använder mycket känslig utrustning och utför noggranna mätningar i ett försök att upptäcka dessa minutsignaler.
Men som A/Prof. Pla säger:"När man försöker upptäcka partiklar som är lika spöklika som axioner, kan till och med vakuumljud vara öronbedövande."
Arbetet med att klämma på UNSW innebär att dessa mätningar nu kan göras upp till sex gånger snabbare, vilket förbättrar chanserna att upptäcka en svårfångad axion.
"Axionsdetektorer kan använda klämmor för att minska buller och påskynda mätningarna. Våra resultat tyder på att dessa experiment nu skulle kunna utföras ännu snabbare än tidigare", säger A/Prof. Pla.
"Forskare kan se mörk materias effekter på galaxer, men ingen har någonsin upptäckt det. Tills du fysiskt mäter en axion kommer det bara att vara en teori om hur mörk materia manifesterar sig."
Den gemensamma huvudförfattaren Dr. Vine säger att det finns andra applikationer för teamets nya förstärkarenhet.
"Vad vi också visade i vår studie är att enheten kan användas vid högre temperaturer än tidigare squeezers och även i stora magnetfält", säger Dr. Vine.
"Detta öppnar dörren för att tillämpa det i tekniker som spektroskopi, som används för att studera strukturen hos nya material och biologiska system som proteiner. Det klämda bruset gör att du kan studera mindre volymer eller mäta prover med större precision."
Dr. Kringhøj noterar att själva det pressade bruset till och med kan användas i framtida kvantdatorer.
"Det visar sig att ljud från klämt vakuum är en ingrediens för att bygga en viss typ av kvantdator. Spännande nog är klämningsnivån vi har uppnått inte långt ifrån den mängd som behövs för att bygga ett sådant system", säger han.
