Датчик на основе двумерного квантового кристалла станет новым инструментом охоты за темной материей - «Наука и технологии»

Согласно существующим теориям таинственная темная материя должна буквально окружать нас, но она, эта материя, пока приносит лишь разочарование ученым, развернувшим масштабную охоту за различными видами гипотетических частиц-кандидатов. И недавно ученые-физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали новый тип датчика частиц темной материи, в основе которого лежит своеобразный двумерный квантовый кристалл. Ученые надеются, что высочайшая чувствительность нового устройства позволит им в будущем "поймать за руку" определенные виды неуловимых ранее частиц.

Результаты проводимых в течение нескольких десятилетий астрофизических наблюдений указывают на то, что в глубинах Вселенной скрывается большее количество материи, чем то, что мы можем видеть при помощи самых совершенных астрономических инструментов. Это несоответствие стало причиной выдвижения гипотезы о существовании так называемой темной материи, таинственной субстанции, которая не взаимодействует с обычной материей и даже со светом. Единственным влиянием темной материи на все, окружающее нас, является ее гравитация, благодаря которой формируются галактики, скопления галактик и другие огромные космические объекты.

Ученые уже давно выдвинули ряд предположений касательно того, из каких частиц может состоять темная материя. Также была проведена масса не принесших положительных результатов экспериментов, в которых, используя различные подходы, ученые пытались обнаружить тот или иной вид гипотетических частиц, претендующих на звание частиц темной материи.

Одним из основных кандидатов являются частицы, называемые аксионами. Согласно существующим моделям, аксионы не являются носителями электрического заряда и имеют очень и очень малую массу. Движение аксионов в пространстве имеет волнообразный характер и эти частицы должны оказывать очень слабое влияние на окружающий мир при помощи сил электромагнетизма. Однако, ни один из предыдущих экспериментов по обнаружению аксионов также не принес положительных результатов.

И недавно группа из NIST разработала новый тип датчика аксионов. Он состоит из 150 ионов бериллия, пойманных в ловушку магнитного поля, которое, к тому же, вынуждает эти ионы расположиться в пределах условной плоскости, толщиной всего в 200 микронов. Когда такая группа ионов подвергается воздействию внешнего электрического поля, все атомы выравнивают свою пространственную ориентацию и спины и, при условии полной изоляции от внешних влияний различного рода, будут реагировать на движение даже единичного аксиона или другой частицы темной материи.

Согласно расчетам, чувствительность такого датчика минимум в 10 раз превышает чувствительность наилучших датчиков, использовавшихся ранее. Такой датчик способен обнаруживать изменения электрического поля 240 нановольт на метр в секунду. Такая чувствительность позволит ученым вести поиски аксионов в более широком диапазоне частот, чем это было возможно ранее.

Столь высокая чувствительность датчика является следствием использования законов мира квантовой механики. Любой смещение иона, вызванное прохождением аксиона, будет очень малым для того, чтобы его можно было измерить с подобающей точностью. Однако, для усиления сигнала ученые использовали явление квантовой запутанности.

Для запутывания всех ионов на квантовом уровне ученые использовали перекрещивающиеся лучи лазерного света. После создания такой запутанности смещение спина одного иона, вызванное прохождением частицы темной материи, моментально вызовет смещение спина других ионов, что очень легко поддается детектированию. При определенном направлении спина электронов ионов весь этот квантовый кристалл будет флюоресцировать, а любое изменение спина разрушит флюоресценцию и сделает кристалл темным.

Сейчас ученые планируют увеличить чувствительность датчика аксионов по крайней мере в 30 раз, создав для него уже трехмерный квантовый кристалл, состоящий минимум из 100 тысяч ионов бериллия. И если эта идея будет реализована, то новый датчик имеет все шансы стать инструментом, который поможет ученым разгадать одну из самых сложных загадок Вселенной.