Разгадают тайны Вселенной: ученые создали квантовый кристалл для поиска темной материи

Американские ученые создали квантовый кристалл, который используют для поиска темной материи.

Они опубликовали статью о своем исследовании в журнале Science.

Крошечный кристалл размером всего 200 микрометров в десять раз чувствительнее атомных датчиков (скорее всего, имеются ввиду датчики радиочастотного электромагнитного поля на основе атомов Ридберга, разработанные учеными из NIST — ред.). Он может настраиваться на частоты, которые в теории излучают особые частицы — аксионы. Система способна улавливать даже сигналы, недоступные другим существующим датчиками. Авторы отмечают, что производительность кристалла зависит от двух весьма необычных физических процессов: квантовой запутанности и "обращения времени".

Эксперимент проходит в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST). Сотрудники учреждения считают, что захват настоящего аксиона станет ключом к разгадке одной из самых больших тайн Вселенной — природы темной материи.

Ученые уже подтвердили существование темной материи, когда заметили ее огромное гравитационное влияние на "нормальную" барионную материю, из которой состоят наши тела, планеты и звезды. Таинственного вещества в пять раз больше, чем обычной материи, однако оно не излучает никаких сигналов, известных людям, которые бы позволили его исследовать.

Физик-теоретик Ана Мария Рей в комментарии Vice подчеркнула, что главным прорывом команды стало достижение квантовой связи между механическими и электромагнитными свойствами квантового кристалла. По ее словам, при помощи "запутанности" ученые увеличили чувствительность до уровня, который недоступен обычным системам.

"Мы используем квантовые инструменты и ресурсы, предлагаемые только квантовыми системами, чтобы делать зондирование, которое невозможно при использовании классических ресурсов", — отметила соавтор статьи.

Квантовая запутанность возникает тогда, когда квантовые состояния частиц становятся связанными и не могут вести себя независимо. В некоторых случаях связь между ними сохраняется даже на огромных расстояниях. В эксперименте NIST команда запутала два важных физических свойства ионов бериллия, из которых состоит кристалл, — механические колебания и спин (вращение).

Механические колебания относятся к коллективному движению ионов вдоль плоскости, в то время как спин относится к индивидуальному положению ионов. Исследователи NIST смогли использовать лазерные лучи, чтобы установить квантовую связь между этими двумя свойствами.

В связанном состоянии кристалл теоретически способен воспринимать тонкую электромагнитную волну, создаваемую аксионом, когда она попадает в сильное магнитное поле внутри детектора. Поскольку аксионы существуют только в теоретических моделях темной материи, команда ввела напряжение для имитации электрического поля, которое может создать аксион, чтобы проверить свой метод.

"Аксион генерирует электромагнитную волну в виде электрического поля с определенной частотой. Если наши ионы резонируют с этой частотой, то электрическое поле может вызвать движение, и это движение мы можем очень точно обнаружить", — объяснила Рей.

Описываемое движение известно как "смещение" (displacement). Квантовая запутанность позволяет фиксировать смещение без помех и шумов, которые обычно существуют в таких системах. Команде пришлось решить еще одну проблему, чтобы измерить смоделированное смещение: принцип неопределенности Гейзенберга (суть принципа следующем: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую, — ред.). На практике это означает, что любая попытка наблюдать за смещением в запутанной системе вызовет искажения, над устранением которых работали исследователи.

"Запутанность — это фантастика; это уменьшает шум, но если вы хотите воспользоваться этой запутанностью, это очень сложно, потому что когда вы ее измеряете, вы разрушаете волновую функцию, что добавляет больше шума и сводит на нет все преимущества, которых вы достигли благодаря запутыванию", — отметила Ана Мария Рей.

Вот тут-то и пригодилась ученым уловка с "обращением времени". После того, как движение и спины ионов оказались связаны и был подан сигнал смещения, ученые опять распутали свойства в процессе, который похож на "переход в прошлое". По словам Рей, это не путешествие во времени в прямом смысле, но форма обращения времени в квантово-механическую структуру, известную как гамильтонова система.

Когда квантовая запутанность отключена, в кристаллической системе снова возникают помехи, однако информация о смещении, произошедшем во время фазы запутывания, отображается во вращении ионов, как штамп в квантовом паспорте. Таким образом сохраняются данные измерений, которые команда не могла получить во время запутанности ионов.

В ближайшие годы команда NIST планирует улучшить стабильность и чувствительность квантового кристалла, однако первый эксперимент уже открыл возможность создания нового типа сенсора, способного искать темную материю по частоте аксионов. Готовый кристалл будут использовать в исследованиях, направленных на поиск "темных" частиц, которые в теории окружают нас повсюду. Если их удастся поймать — человечество, наконец, узнает, из чего состоит большая часть Вселенной.

"Это откроет новые направления в этой области, которые потребуют новых теорий для их объяснения. Я имею в виду, что это может быть очень захватывающе, потому что у нас нет фундаментального понимания состава Вселенной", — подытожила Рей.

Ранее физики смогли создать "кристалл времени" при помощи квантового компьютера. Он постоянно переключается между состояниями, но не потребляет энергию.