Kuantum kristali karanlık maddenin kimliğini ortaya çıkarabilir

Araştırmacılar, bir kuantum mekaniği tuhaflığı kullanarak, inanılmaz derecede zayıf elektromanyetik alanları tespit edebilen bir berilyum kristali yarattılar. Çalışma; bir gün, eksen adı verilen varsayımsal karanlık madde parçacıklarını tespit etmek için kullanılabilir.

Araştırmacılar kuantum kristallerini 150 yüklü berilyum parçacığını veya iyonunu, birbirleri için doğal itmelerinin üstesinden gelmeye yardımcı olan bir elektrot ve manyetik alan sistemi kullanarak yakalayarak yarattılar.

Ulusal Enstitü arasında ortak bir enstitü olan JILA'da bir atom fizikçisi olan Ana Maria Rey ve meslektaşları iyonları kendi alan ve elektrot sistemleriyle tuzağa düşürdüklerinde, atomlar insan saçının iki katı kalınlığında düz bir tabaka hâlinde kendiliğinden birleşti. Bu organize kolektif, bir dış güç tarafından rahatsız edildiğinde titreyen bir kristale benziyordu.

Rey, "Atomları heyecanlandırdığınızda, tek tek hareket etmezler" dedi. "Bir bütün olarak hareket ediyorlar."

Bu berilyum "kristal" bir elektromanyetik alanla karşılaştığında, tepki olarak hareket etti ve bu hareket alan kuvvetinin bir ölçümüne çevrilebilirdi.

Ancak herhangi bir kuantum mekanik sistemin ölçümleri, bir parçacığın konumu ve momentumu gibi belirli özelliklerinin aynı anda yüksek hassasiyetle bilinemeyeceğini belirten Heisenberg belirsizlik ilkesi tarafından belirlenen sınırlara tabidir .

Ekip, kuantum parçacıklarının niteliklerinin doğal olarak birbirine bağlı olduğu dolaşma ile bu sınırı aşmanın bir yolunu buldu.

Karanlık maddenin etkileri ölçülebiliyor

Rey, "Dolaşıklık kullanarak, başka türlü mümkün olmayan şeyleri hissedebiliriz" dedi.

Bu durumda, o ve meslektaşları berilyum iyonlarının hareketlerini dönüşleriyle karıştırdılar. Kuantum sistemleri minik tepelere benzer ve spin, bu tepelerin işaret ettiği yönü, diyelim ki yukarı veya aşağı tanımlar.

Kristal titreştiğinde belli bir miktar hareket ederdi. Ancak belirsizlik ilkesi nedeniyle, bu yer değiştirmenin herhangi bir ölçümü veya iyonların hareket ettiği miktar, kesinlik sınırlarına tabi olacak ve kuantum gürültüsü olarak bilinen birçok şeyi içerecek, dedi Rey.

Yer değiştirmeyi ölçmek için "kuantum gürültüsünden daha büyük bir yer değiştirmeye ihtiyacımız var" dedi.

İyonların hareketleri ve dönüşleri arasındaki karışıklık, bu gürültüyü yayar, azaltır ve araştırmacıların kristaldeki ultra küçük dalgalanmaları ölçmesine olanak tanır. Sistemi, içinden zayıf bir elektromanyetik dalga göndererek ve titreştiğini görerek test ettiler. Çalışma, Science dergisinde 6 Ağustos'ta yayınlandı.

Kristal, daha önceki kuantum sensörlerinden daha küçük elektromanyetik sinyalleri algılamada zaten 10 kat daha hassas. Ancak ekip, daha fazla berilyum iyonuyla, eksenleri arayabilen daha hassas bir dedektör oluşturabileceklerini düşünüyor.

Kuantum kapısı ''ışınlandı''

Eksenler, bir elektronun kütlesinin milyonda biri veya milyarda biri kadar olan, önerilen bir ultra hafif karanlık madde parçacığıdır. Axion bazı modelleri bazen mümkün olabileceğini düşündürmektedir, i dönüştürmek n bir foton için artık karanlık olur bu durumda ve zayıf elektromanyetik alan üretecektir. Bu berilyum kristalini içeren bir laboratuvarda herhangi bir eksen uçarsa, kristal onların varlığını algılayabilir.

California, Berkeley'deki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda teorik fizikçi olan Daniel Carney, araştırmaya dâhil olmayan "Bence bu güzel bir sonuç ve etkileyici bir deney" dedi.

Carney, karanlık madde avına yardım etmenin yanı sıra, çalışmanın bir laboratuvarda tellerden başıboş elektromanyetik alanlar aramak veya bir malzemede kusur aramak gibi birçok uygulama bulabileceğine inanıyor.