研究前沿：Science解读-二维量子晶体传感器，可以寻找暗物质粒子

暗物质应该就在我们身边，但这些东西令人沮丧地难以捉摸。现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的物理学家开发了一种新传感器，可以帮助我们使用二维量子晶体检测某些假设的暗物质粒子。

数十年的天体物理学观测表明，宇宙中的质量，远远超过我们所能看到的。科学家们假设，宇宙由一种称为“暗物质”的物质主导，这种物质不会以任何方式反射、折射或与光相互作用，仅通过其强大的引力影响常规物质。

在太空中，这种物质的观测证据不断增加，但很难直接检测到。这并不是因为缺乏尝试——不断提出或运行实验，旨在根据它们可能具有或不具有的不同特性来检测不同的候选粒子。许多人使用巨大的地下储罐，里面装满了流体，可以检测到暗物质粒子经过时的碰撞，而其他人则可以在微小的钟摆上寻找引力。

一种称为轴子的假想粒子。模型表明轴子具有中性电荷，几乎没有质量，在波浪中漂移，最重要的是对电磁学的影响很小。实验已经使用“轴子无线电”、空腔中的量子位或环形磁铁，来寻找这种相互作用。

图源：https://i-hls.com/archives/89880。

NIST 团队开发了一种新型轴子传感器。由被困在磁场中的 150 个铍离子组成，排列成一个只有 200 微米厚的平面。当暴露在电场中时，原子平面会像鼓一样上下移动——所以如果它们与任何外部电场保持隔离，发现这种运动可能表明轴子或其他暗物质粒子已经穿过。

该传感器的灵敏度将是其他类似实验的 10 倍，能够在一秒内检测到每米 240 纳伏的电场。这可以帮助它在更广泛的频率范围内发现轴子。这种额外的敏感性，来自量子物理学的幽灵世界。轴子对离子的任何位移都非常小且难以测量，因此研究人员使用量子纠缠来放大信号。

下图为电场传感器的性能。(A) 用于感应弱电场的量子和经典协议的示意图时间线。量子协议包括，依次应用一对持续时间为 t 的 ODF 驱动器来首先纠缠，然后解开自旋和运动自由度以通过自旋进行读出，同时在持续时间 T ≥ 2t 内同时应用弱自旋独立驱动器 . 经典协议同样在持续时间 T 内应用与自旋无关的驱动，但 ODF 仅在序列末尾的 t ≤ T 时打开，以启用整体位移的自旋读数。

图源：Science.

用纵横交错的激光束照射离子，这导致离子的运动，与称为“自旋”的电子特性密不可分。所有离子都“向上”旋转，因此集体自旋的任何变化，都可以揭示它们运动的任何位移，这是由轴子引起的。测量自旋相对容易——如果离子处于向上旋转状态，晶体会发出荧光，但如果处于向下旋转状态，会保持黑暗。这种量子晶体的荧光，可揭示轴子是否已经穿过仪器。研究人员表示，通过制造包含 100,000 个离子的 3D 晶体，可以将探测器的灵敏度提高 30 倍。如果这个实验加入了对暗物质的捕获，可能有助于解开最持久的宇宙奥秘之一。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6555/673

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/673

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/O5ptmTUusGHZbxmLn6gPVQ

本文译自”ScienceDaily"。