研究人员创造了一种铍晶体 可能用来探测暗物质的身份

利用量子力学的一个奇特之处，研究人员创造了一种铍晶体，能够探测非常微弱的电磁场。

这项工作有朝一日可能被用来探测被称为轴子的假想暗物质粒子。

美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的原子物理学家安娜·玛丽亚·雷伊告诉《现场科学》，研究人员通过利用电极和磁场系统捕获150个带电铍粒子或离子来创建他们的量子晶体，这有助于克服它们之间的自然排斥。

当雷伊和她的同事用他们的场和电极系统捕获离子时，原子自组装成一张两倍于人发厚的平板。

这个有组织的集体就像一个水晶，当受到外力干扰时会振动。

“当你激发原子时，它们不会单独移动，”雷伊说。

“它们作为一个整体移动。

当铍“晶体”遇到电磁场时，它会相应地移动，这种移动可以转化为对场强的测量。

但是任何量子力学系统的测量都受到海森堡测不准原理的限制，该原理指出粒子的某些属性，如位置和动量，不能同时高精度地知道。

该团队找到了一种通过纠缠绕过这一限制的方法，量子粒子的属性天生就联系在一起。

雷伊说:“通过使用纠缠，我们可以感知到否则不可能发生的事情。

在这种情况下，她和她的同事将铍离子的运动与其自旋纠缠在一起。

量子系统类似微小的顶部，自旋描述了这些顶部指向的方向，比如向上或向下。

当晶体振动时，它会移动一定的量。

雷伊说，但由于不确定性原理，对这种位移或离子移动量的任何测量都将受到精度限制，并包含大量所谓的量子噪声。

她说：“为了测量位移，我们需要比量子噪声更大的位移。

离子运动和自旋之间的纠缠将这种噪音扩散开来，降低了噪音，并使研究人员能够测量晶体中的超微小波动。

他们通过发送微弱的电磁波并观察它的振动来测试这个系统。

这种晶体在探测微小的电磁信号方面已经比以前的量子传感器灵敏10倍。

但是该团队认为，如果有更多的铍离子，他们可以创造出一种更灵敏的探测器，能够搜索轴子。

轴子是一种被提出的超轻暗物质粒子，其质量是电子的百万分之一或十亿分之一。

轴子的一些模型表明，它有时可能能够转换成光子，在这种情况下，它将不再是暗的，并将产生弱电磁场。

如果有轴子飞过含有铍晶体的实验室，晶体可能会发现它们的存在。

“我认为这是一个美丽的结果，也是一个令人印象深刻的实验。

”加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家丹尼尔·卡尼(Daniel Carney)告诉Live Science，他没有参与这项研究。

卡尼认为，除了帮助寻找暗物质，这项工作还可以找到许多应用，比如在实验室中寻找电线的杂散电磁场，或者寻找材料中的缺陷。