Для поиска темной материи создан квантовый кристалл
Ученые использовали квантовую запутанность и обращение времени вспять в кристалле, что поможет решить одну из самых больших загадок Вселенной
Крошечный синий кристалл может настраиваться на частоты, которые, по мнению ученых, излучаются гипотетическими частицами, называемыми аксионами, включая ряд сигналов, которые не обнаруживаются никакими другими существующими датчиками.
Захват настоящего аксиона может стать ключом к разгадке одной из самых больших тайн в науке: природы темной материи. Ученые знают, что темная материя существует, потому что мы можем видеть ее гравитационное воздействие на «нормальную» барионную материю. Но поскольку темная материя не излучает никаких привычных для нас сигналов, ее невозможно наблюдать и трудно объяснить, хотя ее в пять раз больше, чем обычной материи.
«Использование запутанности для увеличения чувствительности, которую мы не можем себе позволить в классических системах, — это новая технология, которая очень интересна», — говорит соавтор исследования физик-теоретик Анна Мария Рей.
Квантовая запутанность возникает, когда квантовые состояния частиц становятся связанными, из-за чего они не могут вести себя независимо друг от друга. В некоторых случаях даже на огромных расстояниях. В эксперименте ученые запутали два важных физических свойства, управляющих 150 ионами бериллия, из которых и состоит их квантовый кристалл: механические колебания и спин.
Механические колебания относятся к коллективному движению ионов вдоль плоскости, в то время как спин относится к индивидуальным ориентациям ионов. Для установки квантовой связи этих двух свойств использовался лазер.
В этом запутанном состоянии кристалл теоретически способен воспринимать электромагнитную волну, создаваемую аксионом, когда она попадает в сильное магнитное поле внутри детектора. Поскольку аксионы существуют только в теории темной материи, ученые использовали для имитации электрического поля искусственно созданное напряжение, которое может создавать аксион.
«Аксион генерирует электромагнитную волну в форме электрического поля с определенной частотой, — поясняет Рей. — Если наши ионы резонируют с данной частотой, то это отразится в электрическом поле, что мы обязательно обнаружим. Но если вы хотите воспользоваться этой запутанностью, вы коллапсируете волновую функцию, что добавляет больше шума и сводит на нет усиление, которое вы получили с помощью запутанности».
Вот тут появляется уловка с «обращением времени вспять». После того, как движение и спины ионов были запутаны и был подан сигнал, исследователи снова распутали свойства методом, который похож на «переход в прошлое», объясняет Рей. Это не путешествие во времени, а, скорее, форма обращения времени в квантово-механическую структуру, известную как гамильтонова система.
Когда квантовая запутанность исчезает, в кристалле снова возник шум. Но, что очень важно, информация о смещении отображается в спине ионов, сохраняя данные измерений. И это невозможно сделать, пока движение и спин запутаны.
В настоящее время ученые продолжают работать над кристаллом, пытаясь улучшить стабильность его работы и чувствительность.