Los científicos han podido observar el universo y determinar que aproximadamente el 80% de su masa parece ser "materia oscura, "que ejerce una atracción gravitacional pero no interactúa con la luz, y por lo tanto no se puede ver con telescopios. Nuestra comprensión actual de la cosmología y la física nuclear sugiere que la materia oscura podría estar formada por axiones, partículas hipotéticas con propiedades de simetría inusuales.

En un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física y resaltado como sugerencia de un editor, Los investigadores del ICFO Pau Gomez, Ferran Martín, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes, y Silvana Palacios, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Morgan W. Mitchell, informe sobre cómo buscar axiones utilizando las propiedades únicas de los condensados ​​de Bose-Einstein (BEC).

El axion si existiera, implicaría "fuerzas exóticas dependientes de espín". Magnetismo, la fuerza dependiente del giro más conocida, hace que los electrones apunten sus espines a lo largo del campo magnético, como la aguja de una brújula que apunta al norte. El magnetismo es transportado por fotones virtuales, mientras que las fuerzas dependientes de espín "exóticas" serían transportadas por axiones virtuales (o partículas similares a axiones). Estas fuerzas actuarían tanto sobre electrones como sobre núcleos, y se produciría no solo con imanes, pero también por materia ordinaria. Para saber si existen axiones, una buena forma es mirar y ver si los núcleos prefieren apuntar hacia otra materia.

Varios experimentos ya están buscando estas fuerzas, utilizando "comagnetómetros, "que son sensores magnéticos emparejados en el mismo lugar. Al comparar las señales de los dos sensores, el efecto del campo magnético ordinario se puede cancelar, dejando solo el efecto de la nueva fuerza. Hasta aquí, Los comagnetómetros solo han podido buscar fuerzas dependientes del giro que alcanzan alrededor de un metro o más. Para buscar fuerzas dependientes del giro de corto alcance, se necesita un comagnetómetro más pequeño.

Los condensados ​​de Bose Einstein (BEC) son gases enfriados casi al cero absoluto. Debido a que los BEC son superfluidos, sus átomos constituyentes pueden girar libremente durante varios segundos sin ninguna fricción, haciéndolos excepcionalmente sensibles tanto a los campos magnéticos como a las nuevas fuerzas exóticas. Un BEC también es muy pequeño, aproximadamente 10 micrómetros de tamaño. Para hacer un comagnetómetro BEC, sin embargo, requiere resolver un problema complicado:cómo colocar dos magnetómetros BEC en el mismo volumen pequeño.

En su estudio, Gomez y sus colegas informan que pudieron resolver este problema utilizando dos estados internos diferentes del mismo 87Rb BEC, cada uno actuando como un magnetómetro separado pero coubicado. Los resultados del experimento confirman la alta inmunidad prevista al ruido del campo magnético ordinario y la capacidad de buscar fuerzas exóticas con rangos mucho más cortos que en experimentos anteriores. Además de buscar axiones, la técnica también puede mejorar las mediciones de precisión de la física de colisiones ultrafrías y los estudios de correlaciones cuánticas en BEC.