科學(xué)家創(chuàng)造特殊量子晶體：直指暗物質(zhì)粒子——軸子

發(fā)布時間：2021-10-11瀏覽：2542次

利用一種奇特的量子力學(xué)原理，研究人員創(chuàng)造出了一種特殊的鈹晶體，能夠探測到極其微弱的電磁場。這項成果日后或許可以用于探測假想中的暗物質(zhì)粒子——軸子。

原子物理學(xué)家用一套電極+磁場系統(tǒng)克服了鈹粒子之間的天然排斥力，將150個帶電鈹粒子困在一起，從而創(chuàng)造出了這種獨特的量子晶體。

當(dāng)用這套電極+磁場系統(tǒng)圍困住鈹離子時，這些原子便自動組合成了一張薄膜，厚度約為人類頭發(fā)直徑的兩倍。

這樣的組合就像晶體一樣，受到外力干擾時會發(fā)生振蕩，將這些原子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)時，它們不會各動各的，而是會作為一個整體共同振動。

這種鈹“晶體”遇到電磁場時會產(chǎn)生一定反應(yīng)。通過它們的振動情況，便可測算出電磁場的強度。

但對任何量子力學(xué)系統(tǒng)的測量都受制于海森堡不確定性原理，即粒子的位置和動能等特性無法同時準(zhǔn)確測出。

不過，該團隊利用量子糾纏原理，設(shè)法繞開了這一限制。

物理學(xué)家將鈹離子的運動與自旋之間建立起了糾纏關(guān)系。如果將量子系統(tǒng)比作一個個迷你的箭頭，自旋就描述了這些箭頭的指向，比如“向上”或者“向下”。

晶體發(fā)生振蕩時，會產(chǎn)生一定量的位移，但由于海森堡不確定性原理，對位移的測量精確度始終受限，其中還包含大量量子噪聲。要想測量出這種位移，“位移程度必須大于量子噪聲才行”。

離子的運動與自旋之間的糾纏關(guān)系可以將量子噪聲分散開來，從而降低噪聲，讓研究人員得以測量出晶體產(chǎn)生的超微弱波動。為測試其性能，他們向這套系統(tǒng)釋放了一道微弱的電磁波，借此觀察系統(tǒng)的振蕩情況。

該晶體探測微弱電磁信號的敏感度已經(jīng)比之前的量子傳感器高了十倍，但該團隊認為，如果增加鈹離子的數(shù)量，或許還能打造出一臺更加敏感的探測器，用于軸子的搜索。

軸子是一種假想中的超輕暗物質(zhì)粒子，質(zhì)量只有電子的百萬分，甚至10億分之一。

一些軸子模型認為，軸子有時可以轉(zhuǎn)化為光子，在這種情況下，它就不再是“暗”物質(zhì)了，而是會產(chǎn)生微弱的電磁場。

假如上述鈹晶體所在的實驗室中有軸子飛過，這些晶體或許便可捕捉到軸子的存在。

除了有助于搜索暗物質(zhì)之外，這項研究還可能應(yīng)用于多種場景，比如搜索實驗室中由電線產(chǎn)生的雜散電磁場、或進行材料探傷等等。

量子糾纏概念圖