Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se han unido, o "enredado, "el movimiento mecánico y las propiedades electrónicas de un diminuto cristal azul, dándole una ventaja cuántica en la medición de campos eléctricos con una sensibilidad récord que puede mejorar la comprensión del universo.

El sensor cuántico consta de 150 iones de berilio (átomos cargados eléctricamente) confinados en un campo magnético, por lo que se autoorganizan en un cristal 2D plano de solo 200 millonésimas de metro de diámetro. Los sensores cuánticos como este tienen el potencial de detectar señales de la materia oscura, una sustancia misteriosa que podría resultar ser, entre otras teorías, partículas subatómicas que interactúan con la materia normal a través de un campo electromagnético débil. La presencia de materia oscura podría hacer que el cristal se mueva de manera reveladora, revelado por cambios colectivos entre los iones del cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocido como giro.

Como se describe en la edición del 6 de agosto de Ciencias , los investigadores pueden medir la excitación vibratoria del cristal (el plano que se mueve hacia arriba y hacia abajo como la cabeza de un tambor) al monitorear los cambios en el giro colectivo. La medición del giro indica el grado de excitación vibratoria, referido como desplazamiento.

Este sensor puede medir campos eléctricos externos que tienen la misma frecuencia de vibración que el cristal con más de 10 veces la sensibilidad de cualquier sensor atómico previamente demostrado. (Técnicamente, el sensor puede medir 240 nanovoltios por metro en un segundo). En los experimentos, los investigadores aplican un campo eléctrico débil para excitar y probar el sensor de cristal. Una búsqueda de materia oscura buscaría tal señal.

"Los cristales de iones podrían detectar ciertos tipos de materia oscura (por ejemplo, axiones y fotones ocultos) que interactúan con la materia normal a través de un campo eléctrico débil, "El autor principal del NIST, John Bollinger, dijo." La materia oscura forma una señal de fondo con una frecuencia de oscilación que depende de la masa de la partícula de materia oscura. Los experimentos que buscan este tipo de materia oscura se han llevado a cabo durante más de una década con circuitos superconductores. El movimiento de los iones atrapados proporciona sensibilidad en un rango diferente de frecuencias ".

El grupo de Bollinger ha estado trabajando con el cristal de iones durante más de una década. Lo nuevo es el uso de un tipo específico de luz láser para enredar el movimiento colectivo y los giros de una gran cantidad de iones. más lo que los investigadores llaman una estrategia de "inversión del tiempo" para detectar los resultados.

El experimento se benefició de una colaboración con la teórica del NIST Ana Maria Rey, que trabaja en JILA, un instituto conjunto de NIST y la Universidad de Colorado Boulder. El trabajo teórico fue fundamental para comprender los límites de la configuración del laboratorio, ofreció un nuevo modelo para comprender el experimento que es válido para una gran cantidad de iones atrapados, y demostró que la ventaja cuántica proviene de entrelazar el giro y el movimiento, Dijo Bollinger.

Rey señaló que el entrelazamiento es beneficioso para cancelar el ruido cuántico intrínseco de los iones. Sin embargo, medir el estado cuántico entrelazado sin destruir la información compartida entre el giro y el movimiento es difícil.

"Para evitar este problema, John es capaz de invertir la dinámica y desenredar el giro y el movimiento después de aplicar el desplazamiento, "Rey dijo." Esta vez la inversión desacopla el giro y el movimiento, y ahora el giro colectivo en sí tiene la información de desplazamiento almacenada en él, y cuando medimos los giros podemos determinar el desplazamiento con mucha precisión. ¡Esto es genial! "

Los investigadores utilizaron microondas para producir los valores deseados de los giros. Los iones se pueden girar (a menudo se imagina como una flecha que apunta hacia arriba), girar hacia abajo u otros ángulos, incluyendo ambos al mismo tiempo, un estado cuántico especial. En este experimento, todos los iones tenían el mismo giro, primero girando hacia arriba y luego horizontalmente, de modo que cuando se excitaban giraban juntos en un patrón característico de las peonzas.

Rayos láser cruzados, con una diferencia de frecuencia que era casi la misma que el movimiento, se utilizaron para enredar el giro colectivo con el movimiento. A continuación, el cristal se excitó vibratoriamente. Se utilizaron los mismos láseres y microondas para deshacer el enredo. Para determinar cuánto se movió el cristal, Los investigadores midieron el nivel de fluorescencia de giro de los iones (el giro dispersa la luz, girar hacia abajo es oscuro).

En el futuro, aumentando el número de iones a 100, 000 al hacer cristales 3D se espera que mejore treinta veces la capacidad de detección. Además, la estabilidad del movimiento excitado del cristal podría mejorarse, lo que mejoraría el proceso de inversión del tiempo y la precisión de los resultados.

"Si somos capaces de mejorar este aspecto, este experimento puede convertirse en un recurso fundamental para la detección de materia oscura, ", Dijo Rey." Sabemos que el 85% de la materia en el universo está hecha de materia oscura, pero hasta la fecha no sabemos de qué está hecha la materia oscura. Este experimento podría permitirnos en el futuro develar este misterio ".

Los coautores incluyeron investigadores de la Universidad de Oklahoma.