I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) si sono collegati, o "impigliato, " il movimento meccanico e le proprietà elettroniche di un minuscolo cristallo blu, dandogli un vantaggio quantico nella misurazione dei campi elettrici con una sensibilità record che può migliorare la comprensione dell'universo.

Il sensore quantistico è costituito da 150 ioni di berillio (atomi caricati elettricamente) confinati in un campo magnetico, quindi si autodispongono in un cristallo piatto 2D di appena 200 milionesimi di metro di diametro. Sensori quantistici come questo hanno il potenziale per rilevare segnali dalla materia oscura, una sostanza misteriosa che potrebbe rivelarsi, tra le altre teorie, particelle subatomiche che interagiscono con la materia normale attraverso un debole campo elettromagnetico. La presenza di materia oscura potrebbe far oscillare il cristallo in modi rivelatori, rivelata dai cambiamenti collettivi tra gli ioni del cristallo in una delle loro proprietà elettroniche, noto come rotazione.

Come descritto nel numero del 6 agosto di Scienza , i ricercatori possono misurare l'eccitazione vibrazionale del cristallo, il piano piatto che si muove su e giù come la testa di un tamburo, monitorando i cambiamenti nella rotazione collettiva. La misurazione dello spin indica l'entità dell'eccitazione vibrazionale, detto spostamento.

Questo sensore può misurare campi elettrici esterni che hanno la stessa frequenza di vibrazione del cristallo con più di 10 volte la sensibilità di qualsiasi sensore atomico precedentemente dimostrato. (Tecnicamente, il sensore può misurare 240 nanovolt per metro in un secondo.) Negli esperimenti, i ricercatori applicano un debole campo elettrico per eccitare e testare il sensore a cristalli. Una ricerca sulla materia oscura cercherebbe un tale segnale.

"I cristalli di ioni potrebbero rilevare alcuni tipi di materia oscura - esempi sono assioni e fotoni nascosti - che interagiscono con la materia normale attraverso un debole campo elettrico, L'autore senior del NIST John Bollinger ha detto. "La materia oscura forma un segnale di fondo con una frequenza di oscillazione che dipende dalla massa della particella di materia oscura. Gli esperimenti alla ricerca di questo tipo di materia oscura sono in corso da più di un decennio con circuiti superconduttori. Il movimento degli ioni intrappolati fornisce sensibilità su una diversa gamma di frequenze".

Il gruppo di Bollinger ha lavorato con il cristallo ionico per più di un decennio. La novità è l'uso di un tipo specifico di luce laser per impigliare il movimento collettivo e gli spin di un gran numero di ioni, oltre a quella che i ricercatori chiamano una strategia di "inversione del tempo" per rilevare i risultati.

L'esperimento ha beneficiato di una collaborazione con la teorica del NIST Ana Maria Rey, chi lavora in JILA, un istituto congiunto del NIST e dell'Università del Colorado Boulder. Il lavoro teorico è stato fondamentale per comprendere i limiti della configurazione del laboratorio, ha offerto un nuovo modello per comprendere l'esperimento che è valido per un gran numero di ioni intrappolati, e ha dimostrato che il vantaggio quantistico deriva dall'impigliare lo spin e il movimento, ha detto Bollinger.

Rey ha notato che l'entanglement è utile per cancellare il rumore quantico intrinseco degli ioni., Però, misurare lo stato quantistico entangled senza distruggere le informazioni condivise tra spin e movimento è difficile.

"Per evitare questo problema, John è in grado di invertire la dinamica e districare la rotazione e il movimento dopo l'applicazione dello spostamento, " Ha detto Rey. "Questa volta l'inversione disaccoppia la rotazione e il movimento, e ora lo spin collettivo stesso ha le informazioni di spostamento memorizzate su di esso, e quando misuriamo gli spin possiamo determinare lo spostamento in modo molto preciso. Questo è pulito!"

I ricercatori hanno utilizzato le microonde per produrre i valori desiderati degli spin. Gli ioni possono essere spinti verso l'alto (spesso immaginati come una freccia rivolta verso l'alto), spin down o altri angoli, includendo entrambi allo stesso tempo, uno stato quantico speciale. In questo esperimento gli ioni avevano tutti lo stesso spin, prima ruotando verso l'alto e poi orizzontalmente, quindi quando eccitati ruotavano insieme secondo uno schema caratteristico delle trottole.

Raggi laser incrociati, con una differenza di frequenza che era quasi la stessa del movimento, sono stati usati per intrecciare la rotazione collettiva con il movimento. Il cristallo è stato poi eccitato vibrazionalmente. Gli stessi laser e microonde sono stati usati per annullare l'entanglement. Per determinare quanto si è mosso il cristallo, i ricercatori hanno misurato il livello di fluorescenza di spin degli ioni (spin up diffonde la luce, lo spin down è scuro).

Nel futuro, aumentando il numero di ioni a 100, 000 creando cristalli 3D dovrebbe migliorare di trenta volte la capacità di rilevamento. Inoltre, la stabilità del moto eccitato del cristallo potrebbe essere migliorata, che migliorerebbe il processo di inversione del tempo e la precisione dei risultati.

"Se riusciamo a migliorare questo aspetto, questo esperimento può diventare una risorsa fondamentale per rilevare la materia oscura, " ha detto Rey. "Sappiamo che l'85% della materia nell'universo è fatta di materia oscura, ma ad oggi non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura. Questo esperimento potrebbe permetterci in futuro di svelare questo mistero".

I coautori includevano ricercatori dell'Università dell'Oklahoma.