《科学》：量子晶体可能是一种新的暗物质传感器

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家将一个微小蓝色晶体的机械运动和电子特性联系在一起或“纠缠”在一起，使其在测量电场时具有量子优势，并具有记录灵敏度，这可能会增强对宇宙。

这个由150个被限制在磁场中的铍离子（带电原子）组成的量子传感器会自行排列成直径仅为百万分之一米的扁平二维晶体。像这样的量子传感器有可能检测来自暗物质的信号——暗物质是一种神秘的物质，在其他理论中，它可能是亚原子粒子，通过弱电磁场与正常物质相互作用。暗物质的存在可能会导致晶体以明显的方式摆动，这可以通过晶体离子在其电子特性之一（称为自旋）中的集体变化来揭示。

正如8月6日的《科学》杂志所述，研究人员可以通过监测集体自旋的变化来测量晶体的振动激发——平面像鼓头一样上下移动。测量自旋表明振动激发的程度，称为位移。

该传感器可以测量与晶体具有相同振动频率的外部电场，其灵敏度是之前展示的任何原子传感器的10倍以上。（从技术上讲，传感器可以在一秒内测量出每米240纳伏的电压。）在实验中，研究人员应用弱电场来激发和测试晶体传感器。暗物质搜索会寻找这样的信号。

“离子晶体可以检测某些类型的暗物质——例如轴子和隐藏的光子——它们通过弱电场与正常物质相互作用，”NIST资深作者约翰·博林格说。“暗物质形成背景信号，其振荡频率取决于暗物质粒子的质量。通过超导电路寻找这种暗物质的实验已经进行了十多年。被困离子的运动提供了不同频率范围内的灵敏度。”

十多年来，博林格的团队一直在研究离子晶体。新功能是使用特定类型的激光来纠缠大量离子的集体运动和自旋，以及研究人员所谓的“时间反转”策略来检测结果。

该实验得益于与NIST理论家Ana Maria Rey的合作，她在NIST和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA工作。博林格说，这项理论工作对于理解实验室设置的限制至关重要，为理解对大量捕获离子有效的实验提供了一个新模型，并证明了量子优势来自于自旋和运动的纠缠。

Rey指出纠缠有利于消除离子的固有量子噪声。然而，在不破坏自旋和运动之间共享的信息的情况下测量纠缠的量子态是很困难的。

“为了避免这个问题，约翰能够在施加位移后逆转动力学并解开自旋和运动，”Rey说。“这次反转将自旋和运动解耦，现在集体自旋本身存储了位移信息，当我们测量自旋时，我们可以非常精确地确定位移。这很好！”

研究人员使用微波来产生所需的自旋值。离子可以向上旋转（通常被设想为向上的箭头）、向下旋转或其他角度，包括同时进行的特殊量子态。在这个实验中，所有的离子都具有相同的自旋——先是向上自旋，然后是水平——所以当受到激发时，它们会以陀螺的特征模式一起旋转。

频率差几乎与运动相同的交叉激光束用于将集体自旋与运动纠缠在一起。然后晶体被振动激发。使用相同的激光和微波来解除纠缠。为了确定晶体移动了多少，研究人员测量了离子的荧光自旋水平（向上旋转散射光，向下旋转为暗）。

未来，通过制造3D晶体将离子数量增加到100,000个，有望将传感能力提高30倍。此外，可以提高晶体激发运动的稳定性，从而提高时间反转过程和结果的精度。

“如果我们能够改进这方面，这个实验可以成为探测暗物质的基本资源，”Rey说，“我们知道宇宙中85%的物质是由暗物质构成的，但迄今为止我们还不知道暗物质是由什么构成的。这个实验可以让我们在未来揭开这个谜团。”

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