Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han vinculado, o "entrelazado", el movimiento mecánico y las propiedades electrónicas de un diminuto cristal azul, lo que le da una ventaja cuántica en la medición de campos eléctricos con una sensibilidad récord que puede mejorarcomprensión 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 plano 2D de solo 200 millonésimas de metro de diámetro. Los sensores cuánticos como este tienen el potencial de detectarseñales de la materia oscura, una sustancia misteriosa que podría resultar, 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 porcambios colectivos entre los iones del cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocida como espín.
Como se describe en la edición del 6 de agosto de ciencia , 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 - monitoreando los cambios en el giro colectivo. La medición del giro indica el alcance de la excitación vibratoria, referida acomo 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.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 - ejemplos son axiones y fotones ocultos - que interactúan con la materia normal a través de un campo eléctrico débil", dijo el autor principal del NIST, John Bollinger. "La materia oscura forma una señal de fondo conuna 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 realizado 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, además de lo que los investigadores llaman "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 del NIST y la Universidad de Colorado Boulder. El trabajo teórico fue fundamental para comprender los límites de la configuración del laboratorio, ofreció un nuevo modelopara 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 puede revertir la dinámica y desenredar el giro y el movimiento después de aplicar el desplazamiento", dijo Rey. "Esta vez la inversión desacopla el giro y el movimiento, y ahora el giro colectivo tienela 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 hacia arriba a menudo visualizados como una flecha apuntando hacia arriba, hacia abajo u otros ángulos, incluidos ambos al mismo tiempo, un estado cuántico especial. En este experimentotodos los iones tenían el mismo giro, primero girando hacia arriba y luego horizontalmente, por lo que cuando se excitaban giraban juntos en un patrón característico de las peonzas.
Se usaron rayos láser cruzados, con una diferencia de frecuencia que era casi la misma que el movimiento, para entrelazar el giro colectivo con el movimiento. Luego, el cristal se excitó vibratoriamente. Se usaron los mismos láseres y microondas para deshacer el entrelazamiento.Para determinar cuánto se movió el cristal, los investigadores midieron el nivel de fluorescencia de giro de los iones el giro hacia arriba dispersa la luz, el giro hacia abajo es oscuro.
En el futuro, se espera que aumentar el número de iones a 100.000 mediante la fabricación de cristales 3D mejore la capacidad de detección en treinta veces. Además, la estabilidad del movimiento excitado del cristal podría mejorarse, lo que mejoraría el proceso de inversión del tiempo y la precisiónde los resultados.
"Si somos capaces de mejorar este aspecto, este experimento puede convertirse en un recurso fundamental para detectar la materia oscura", dijo Rey. "Sabemos que el 85% de la materia en el universo está hecha de materia oscura, pero hasta la fecha lo hacemosNo sé 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. Este trabajo es apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU., La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias.
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