Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) se sont liés, ou "enchevêtré, " le mouvement mécanique et les propriétés électroniques d'un minuscule cristal bleu, ce qui lui donne un avantage quantique dans la mesure des champs électriques avec une sensibilité record qui peut améliorer la compréhension de l'univers.

Le capteur quantique est constitué de 150 ions béryllium (atomes chargés électriquement) confinés dans un champ magnétique, ils s'auto-arrangent donc en un cristal 2D plat de seulement 200 millionièmes de mètre de diamètre. Des capteurs quantiques comme celui-ci ont le potentiel de détecter les signaux de la matière noire - une substance mystérieuse qui pourrait s'avérer être, entre autres théories, particules subatomiques qui interagissent avec la matière normale à travers un champ électromagnétique faible. La présence de matière noire pourrait faire bouger le cristal de manière révélatrice, révélée par des changements collectifs parmi les ions du cristal dans l'une de leurs propriétés électroniques, connu sous le nom de rotation.

Comme décrit dans le numéro du 6 août de Science , les chercheurs peuvent mesurer l'excitation vibratoire du cristal - le plan plat se déplaçant de haut en bas comme la tête d'un tambour - en surveillant les changements dans la rotation collective. La mesure du spin indique l'étendue de l'excitation vibrationnelle, appelé déplacement.

Ce capteur peut mesurer des champs électriques externes qui ont la même fréquence de vibration que le cristal avec plus de 10 fois la sensibilité de tout capteur atomique précédemment démontré. (Techniquement, le capteur peut mesurer 240 nanovolts par mètre en une seconde.) Dans les expériences, les chercheurs appliquent un champ électrique faible pour exciter et tester le capteur à cristal. Une recherche de matière noire rechercherait un tel signal.

"Les cristaux d'ions pourraient détecter certains types de matière noire - par exemple les axions et les photons cachés - qui interagissent avec la matière normale à travers un faible champ électrique, " L'auteur principal du NIST, John Bollinger, a déclaré. " La matière noire forme un signal de fond avec une fréquence d'oscillation qui dépend de la masse de la particule de matière noire. Des expériences à la recherche de ce type de matière noire sont en cours depuis plus d'une décennie avec des circuits supraconducteurs. Le mouvement des ions piégés offre une sensibilité sur une gamme de fréquences différente."

Le groupe de Bollinger travaille avec le cristal ionique depuis plus d'une décennie. La nouveauté est l'utilisation d'un type spécifique de lumière laser pour enchevêtrer le mouvement et les spins collectifs d'un grand nombre d'ions, plus ce que les chercheurs appellent une stratégie de « inversion du temps » pour détecter les résultats.

L'expérience a bénéficié d'une collaboration avec la théoricienne du NIST Ana Maria Rey, qui travaille chez JILA, un institut conjoint du NIST et de l'Université du Colorado Boulder. Le travail théorique était essentiel pour comprendre les limites de la configuration du laboratoire, a proposé un nouveau modèle de compréhension de l'expérience valable pour un grand nombre d'ions piégés, et a démontré que l'avantage quantique vient de l'intrication du spin et du mouvement, dit Bollinger.

Rey a noté que l'intrication est bénéfique pour annuler le bruit quantique intrinsèque des ions., Cependant, mesurer l'état quantique intriqué sans détruire l'information partagée entre le spin et le mouvement est difficile.

"Pour éviter ce problème, John est capable d'inverser la dynamique et de démêler la rotation et le mouvement après l'application du déplacement, " dit Rey. " Cette fois, l'inversion découple la rotation et le mouvement, et maintenant le spin collectif lui-même a les informations de déplacement stockées dessus, et lorsque nous mesurons les spins, nous pouvons déterminer le déplacement très précisément. C'est chouette !"

Les chercheurs ont utilisé des micro-ondes pour produire les valeurs souhaitées des spins. Les ions peuvent être mis en rotation (souvent considérés comme une flèche pointant vers le haut), rotation vers le bas ou d'autres angles, comprenant les deux à la fois, un état quantique spécial. Dans cette expérience, les ions avaient tous le même spin - d'abord vers le haut puis horizontalement - donc lorsqu'ils étaient excités, ils tournaient ensemble selon un schéma caractéristique des toupies.

Faisceaux laser croisés, avec une différence de fréquence qui était presque la même que le mouvement, ont été utilisés pour enchevêtrer la vrille collective avec le mouvement. Le cristal a ensuite été excité vibratoirement. Les mêmes lasers et micro-ondes ont été utilisés pour défaire l'enchevêtrement. Pour déterminer combien le cristal a bougé, les chercheurs ont mesuré le niveau de fluorescence du spin des ions (le spin-up diffuse la lumière, la rotation vers le bas est sombre).

À l'avenir, augmenter le nombre d'ions à 100, 000 en fabriquant des cristaux 3D devrait multiplier par trente la capacité de détection. En outre, la stabilité du mouvement excité du cristal pourrait être améliorée, ce qui améliorerait le processus d'inversion du temps et la précision des résultats.

« Si nous sommes en mesure d'améliorer cet aspect, cette expérience peut devenir une ressource fondamentale pour la détection de la matière noire, " a déclaré Rey. "Nous savons que 85% de la matière dans l'univers est faite de matière noire, mais à ce jour, nous ne savons pas de quoi est faite la matière noire. Cette expérience pourrait nous permettre à l'avenir de dévoiler ce mystère."

Les co-auteurs comprenaient des chercheurs de l'Université de l'Oklahoma.