利用量子力学的怪癖，研究人员创造了一种铍晶体，能够探测到难以置信的微弱电磁场。这项工作有朝一日可用于检测称为轴子的假设暗物质粒子。
研究人员通过使用电极和磁场系统捕获 150 个带电铍粒子或离子来创建他们的量子晶体，这些电极和磁场有助于克服彼此之间的自然排斥，JILA 的原子物理学家 Ana Maria Rey标准与技术和科罗拉多大学博尔德分校告诉 Live Science。
当 Rey 和她的同事用他们的场和电极系统捕获离子时，原子自组装成一个平板，厚度是人类头发的两倍。这个有组织的集体就像一个水晶，当受到一些外力干扰时会振动。
“当你激发原子时，它们不会单独移动，”雷伊说。“它们作为一个整体移动。”
当那个铍“晶体”遇到电磁场时，它会做出响应，这种运动可以转化为对场强的测量。
但是任何量子力学系统的测量都受到海森堡不确定性原理设定的限制，该原理指出粒子的某些特性，例如其位置和动量，不能同时以高精度知道。
该团队想出了一种方法来绕过纠缠这一限制，其中量子粒子的属性本质上是联系在一起的。
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家 消息
量子晶体可以揭示暗物质的身份
由 亚当·曼 1天前
铍离子可能有助于寻找暗物质。
艺术家对量子纠缠的印象。
艺术家对量子纠缠的印象。科学家们将铍离子的运动与其自旋纠缠在一起，创造出一种铍晶体，能够探测到难以置信的微弱电磁场。 （图片来源：Shutterstock）
利用量子力学的怪癖，研究人员创造了一种铍晶体，能够探测到难以置信的微弱电磁场。这项工作有朝一日可用于检测称为轴子的假设暗物质粒子。
研究人员通过使用电极和磁场系统捕获 150 个带电铍粒子或离子来创建他们的量子晶体，这些电极和磁场有助于克服彼此之间的自然排斥，JILA 的原子物理学家 Ana Maria Rey标准与技术和科罗拉多大学博尔德分校告诉 Live Science。
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当 Rey 和她的同事用他们的场和电极系统捕获离子时，原子自组装成一个平板，厚度是人类头发的两倍。这个有组织的集体就像一个水晶，当受到一些外力干扰时会振动。
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“当你激发原子时，它们不会单独移动，”雷伊说。“它们作为一个整体移动。”
当那个铍“晶体”遇到电磁场时，它会做出响应，这种运动可以转化为对场强的测量。
但是任何量子力学系统的测量都受到海森堡不确定性原理设定的限制，该原理指出粒子的某些特性，例如其位置和动量，不能同时以高精度知道。
该团队想出了一种方法来绕过纠缠这一限制，其中量子粒子的属性本质上是联系在一起的。
“通过使用纠缠，我们可以感觉到原本不可能发生的事情，”雷伊说。
在这种情况下，她和她的同事将铍离子的运动与其自旋纠缠在一起。量子系统类似于微小的顶部，自旋描述了这些顶部所指向的方向，比如向上或向下。
当晶体振动时，它会移动一定量。但由于不确定性原理，对该位移或离子移动量的任何测量都会受到精度限制，并包含许多所谓的量子噪声，雷伊说。
为了测量位移，“我们需要一个比量子噪声更大的位移，”她说。
离子运动与其自旋之间的纠缠将这种噪音传播出去，减少了噪音，并使研究人员能够测量晶体中的超微小波动。他们通过向系统发送微弱的电磁波并观察它的振动来测试该系统。这项工作于 8 月 6 日发表在《科学》杂志上。
与之前的量子传感器相比，这种晶体在检测微弱电磁信号方面的灵敏度已经提高了 10 倍。但该团队认为，有了更多的铍离子，他们可以创建一个能够搜索轴子的更灵敏的探测器。
轴子是一种提议的超轻暗物质粒子，其质量为电子的百万分之一或十亿分之一。轴子的一些模型表明，它有时可能会转化为光子，在这种情况下，它不再是黑暗的，并且会产生弱电磁场。如果任何轴子飞过包含这种铍晶体的实验室，晶体可能会发现它们的存在。
“我认为这是一个美丽的结果和令人印象深刻的实验，”加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家丹尼尔卡尼告诉 Live Science，他没有参与这项研究。
除了帮助寻找暗物质外，Carney 相信这项工作可以找到许多应用，例如在实验室中寻找来自电线的杂散电磁场或寻找材料中的缺陷。
