Os físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) se uniram, ou "enredado, "o movimento mecânico e as propriedades eletrônicas de um minúsculo cristal azul, dando-lhe uma vantagem quântica na medição de campos elétricos com sensibilidade de registro que pode melhorar a compreensão do universo.

O sensor quântico consiste em 150 íons de berílio (átomos eletricamente carregados) confinados em um campo magnético, então eles se auto-organizam em um cristal 2D plano de apenas 200 milionésimos de um metro de diâmetro. Sensores quânticos como este têm o potencial de detectar sinais de matéria escura - uma substância misteriosa que pode acabar sendo, entre outras teorias, partículas subatômicas que interagem com a matéria normal por meio de um campo eletromagnético fraco. A presença de matéria escura pode fazer com que o cristal se mexa de maneiras reveladoras, revelado por mudanças coletivas entre os íons do cristal em uma de suas propriedades eletrônicas, conhecido como spin.

Conforme descrito na edição de 6 de agosto de Ciência , os pesquisadores podem medir a excitação vibracional do cristal - o plano plano movendo-se para cima e para baixo como a cabeça de um tambor - monitorando as mudanças no giro coletivo. Medir o spin indica a extensão da excitação vibracional, referido como deslocamento.

Este sensor pode medir campos elétricos externos que têm a mesma frequência de vibração do cristal com mais de 10 vezes a sensibilidade de qualquer sensor atômico demonstrado anteriormente. (Tecnicamente, o sensor pode medir 240 nanovolts por metro em um segundo.) Nos experimentos, os pesquisadores aplicam um campo elétrico fraco para excitar e testar o sensor de cristal. Uma pesquisa de matéria escura procuraria esse sinal.

"Cristais de íons podem detectar certos tipos de matéria escura - exemplos são axions e fótons ocultos - que interagem com a matéria normal por meio de um campo elétrico fraco, "O autor sênior do NIST, John Bollinger, disse." A matéria escura forma um sinal de fundo com uma frequência de oscilação que depende da massa da partícula de matéria escura. Experimentos em busca desse tipo de matéria escura estão em andamento há mais de uma década com circuitos supercondutores. O movimento de íons aprisionados fornece sensibilidade em uma faixa diferente de frequências. "

O grupo de Bollinger trabalha com o cristal de íon há mais de uma década. A novidade é o uso de um tipo específico de luz laser para emaranhar o movimento coletivo e as rotações de um grande número de íons, além do que os pesquisadores chamam de estratégia de "reversão do tempo" para detectar os resultados.

O experimento se beneficiou de uma colaboração com a teórica do NIST Ana Maria Rey, que trabalha na JILA, um instituto conjunto do NIST e da University of Colorado Boulder. O trabalho teórico foi fundamental para a compreensão dos limites da configuração do laboratório, ofereceu um novo modelo para a compreensão do experimento que é válido para um grande número de íons aprisionados, e demonstrou que a vantagem quântica vem de emaranhar o spin e o movimento, Bollinger disse.

Rey observou que o emaranhamento é benéfico no cancelamento do ruído quântico intrínseco dos íons., Contudo, medir o estado quântico emaranhado sem destruir as informações compartilhadas entre o spin e o movimento é difícil.

"Para evitar este problema, John é capaz de reverter a dinâmica e desembaraçar o giro e o movimento depois que o deslocamento é aplicado, "Disse Rey." Desta vez, a reversão desacopla o giro e o movimento, e agora o próprio spin coletivo tem as informações de deslocamento armazenadas nele, e quando medimos os spins, podemos determinar o deslocamento com muita precisão. Isso é legal! "

Os pesquisadores usaram microondas para produzir os valores desejados dos spins. Os íons podem ser girados (muitas vezes imaginados como uma seta apontando para cima), girar para baixo ou outros ângulos, incluindo ambos ao mesmo tempo, um estado quântico especial. Neste experimento, todos os íons tiveram o mesmo giro - primeiro giram para cima e depois para a horizontal - então, quando excitados, eles giraram juntos em um padrão característico de piões.

Feixes de laser cruzados, com uma diferença de frequência quase igual ao movimento, foram usados ​​para enredar a rotação coletiva com o movimento. O cristal foi então excitado vibracionalmente. Os mesmos lasers e microondas foram usados ​​para desfazer o emaranhamento. Para determinar quanto o cristal se moveu, pesquisadores mediram o nível de spin de fluorescência dos íons (spin up espalha a luz, girar para baixo está escuro).

No futuro, aumentando o número de íons para 100, 000, ao fazer cristais 3D, deve melhorar a capacidade de detecção trinta vezes. Além disso, a estabilidade do movimento excitado do cristal pode ser melhorada, o que aumentaria o processo de reversão do tempo e a precisão dos resultados.

“Se conseguirmos melhorar este aspecto, este experimento pode se tornar um recurso fundamental para a detecção de matéria escura, "Rey disse." Nós sabemos que 85% da matéria do universo é feita de matéria escura, mas até agora não sabemos do que é feita a matéria escura. Esta experiência pode permitir-nos no futuro desvendar este mistério. "

Os co-autores incluíram pesquisadores da Universidade de Oklahoma.