2D kvantový krystalový senzor by mohl hledat částice temné hmoty

Temná hmota by měla být všude kolem nás, ale ta látka je frustrujícím způsobem nepolapitelná. Nyní fyzici z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) vyvinuli nový senzor, který by nám mohl pomoci detekovat určité hypotetické částice temné hmoty pomocí dvourozměrného kvantového krystalu.

Desetiletí astrofyzikálních pozorování naznačují, že ve vesmíru je mnohem více hmoty, než můžeme vidět. To vedlo vědce k hypotéze, že ve vesmíru dominuje podivná látka, kterou nazýváme temná hmota, která se nijak neodráží, neláme ani neinteraguje se světlem a regulérní hmotu ovlivňuje pouze svou silnou gravitací.

Ve vesmíru se pozorovací důkazy pro tyto věci neustále množí, ale je obtížné je přímo detekovat. A není to z nedostatku snahy – neustále se navrhují nebo probíhají experimenty navržené k detekci různých kandidátních částic na základě různých vlastností, které mohou nebo nemusí mít. Mnozí používají obrovské podzemní nádrže naplněné tekutinami, které by mohly detekovat kolizi s procházející částicí temné hmoty, zatímco jiní by mohli svou gravitační sílu lovit na malých kyvadlech.

Jedním z hlavních kandidátů je hypotetická částice zvaná axion. Modely naznačují, že axiony by měly neutrální elektrický náboj, neměly by téměř žádnou hmotnost, unášely by se ve vlnách a co je nejdůležitější, měly by slabý vliv na elektromagnetismus. Experimenty hledaly tento druh interakce pomocí „axionových rádií“, kvantových bitů v dutinách nebo magnetů ve tvaru koblih.

A nyní tým NIST vyvinul nový druh axionového senzoru. Skládá se ze 150 iontů berylia zachycených uvnitř magnetického pole, které je nutí uspořádat se do ploché roviny o tloušťce pouhých 200 mikronů. Při vystavení elektrickému poli by se rovina atomů pohybovala nahoru a dolů jako buben – takže pokud jsou izolovány od jakýchkoli vnějších elektrických polí, pozorování tohoto pohybu by mohlo znamenat, že skrz axion nebo jiná částice temné hmoty prošla.

S. Burrows/JILA

Tým říká, že senzor by byl 10krát citlivější než jiné podobné experimenty, schopný detekovat elektrické pole 240 nanovoltů na metr za jednu sekundu. To by mu mohlo pomoci odhalit axiony v širším rozsahu frekvencí.

Tato extra citlivost pochází ze strašidelného světa kvantové fyziky. Jakékoli posunutí, které by axion měl na iontech, by bylo extrémně malé a těžko měřitelné, takže vědci použili kvantové provázání k zesílení signálu.

Tým zablokoval ionty křižovanými laserovými paprsky, což způsobuje, že pohyb iontů je neoddělitelně spojen s elektronickou vlastností zvanou „spin“. Všechny ionty byly vyrobeny tak, aby se „roztočily“, takže jakékoli změny v jejich společném spinu mohly odhalit jakékoli posunutí jejich pohybu způsobené axionem. A pohodlně, měření jejich rotace je relativně snadné – pokud jsou ionty ve stavu roztočení, krystal bude fluoreskovat, ale pokud jsou ve stavu roztočení, zůstane tmavý.

Fluorescence tohoto kvantového krystalu pak může odhalit, zda nástrojem prosvištěl axion.

Vědci tvrdí, že budoucí práce by mohla zlepšit citlivost detektoru 30krát tím, že vytvoří 3D krystaly obsahující 100 000 iontů. Pokud se tento experiment někdy připojí k honbě za temnou hmotou, mohl by pomoci rozluštit jednu z nejtrvalejších vesmírných záhad.

Výzkum byl publikován v časopise Věda.

Zdroj: NIST