研究进展：ScienceDaily-二维量子晶体传感器或有助找到暗物质粒子

数十年的天体物理学观测表明，宇宙中的质量，其实远超过我们所能看到的，于是科学家们提出了暗物质占主导的理论。遗憾的是，我们迄今未能找性质特殊的暗物质的切实线索。好消息是，美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家们，刚刚开发出了一种基于二维量子晶体的新式传感器，或有助于我们找到假设的某些暗物质粒子。

（图自：S. Burrows / JILA）

暗物质理论称，其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来影响常规物质。

而 NIST 物理学家开发的二维量子晶体传感器，则由具有相同“向上”自旋状态的铍离子（红色）组成。

在太空中，与暗物质有关的观测证据在不断增加，但很难直接被检测到。此前科学家们已经不断提出过各种概念和实验尝试，以期捕捉到潜在可能经过的暗物质粒子与观测器发生碰撞。

针对不同的候选粒子，研究人员也配备了不同特性的检测方法。比如利用装满液体的巨大地下储罐，或者针对一个微小钟摆的引力影响。

New Atlas 指出，在诸多主要候选者中，有一种被称作轴子（axion）的假想粒子。模型表明其具有中性的电荷，几乎没有质量、随波逐流、且电磁影响很微弱。

此前，实验室已利用过“轴子电波”（axion radios）、空腔中的量子比特、或甜甜圈形状的磁铁来寻找这种相互作用。

John Bollinger 与 Matt Affolter 在调节激光阵列（图自：NIST）

现在，NIST 团队已经开发出了一套新型轴子传感器，它由被困在磁场中的 150 个铍离子组成，迫使其排列形成了一个只有 200 微米后的平面。

当暴露于电场中时，原子平面会像鼓一样上下移动 —— 若它们在与任何外部电场隔离的情况下发生了运动，就意味着有轴子（或其它形式的暗物质粒子）通过。

NIST 团队声称，这套装置的灵敏度是其它类似实验装置的十倍，能够在一秒内检测到每米 240 纳伏的电场。，使之能够在更广泛的频谱范围内发现轴子。

这种额外的敏感性，得益于量子物理学的独特特性。因为轴子对离子的任何位移都非常小且难以测量，所以研究人员决定借助量子纠缠来放大信号。

具体说来是，NITST 团队选用了纵横交错的激光束来照射离子，使之表现出“自旋”的电子特性。

由于所有离子都“向上”旋转，因此当它们的集体自旋发生任何变化的时候，都可揭示由轴子引发的任何运动位移。

更棒的是，测量它们的自旋相对容易 —— 若离子处于想象自旋的状态，晶体就会发出荧光；若处于向下自旋的状态，则会保持幽暗。

展望未来，研究人员希望打造包含 10 万个离子的 3D 晶体，以将探测器的灵敏度提升 30 倍。

感兴趣的朋友，可翻阅近日发表于《科学》（Science）杂志上的《Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals》一文。

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

DOI: 10.1126/science.abi5226

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wAWA8ySB0hnF1E50Zg0nhA

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