美國國家標準技術研究所(NIST)的研究人員發明了一種由二維量子晶體構成的感應器,敏感度是現在最先進的暗物質探測器的10倍,為科學家探索暗物質帶來新的希望。

科學家尋找暗物質已經有幾十年的時間。越來越多的間接證據表明,宇宙中存在這種物質,它在宇宙中的含量是可見的普通物質的五倍,可是至今找不到任何直接證據顯示它的存在。

暗物質理論認為這種物質不會反射、衍射、折射任何光線,或者說它不會與光發生任何形式的互動,但是它會對有質量的物體產生引力。

在暗物質這個大範圍的理論下,科學家對於到底暗物質是由哪些粒子組成的,有很多不同的猜測。其中一種叫做軸子(axion),是很多科學家在投入探索的粒子。理論模型顯示軸子是中性電荷的粒子,幾乎沒有質量,在宇宙中以波的形式移動。理論預測這種粒子對電磁場具有弱影響力。

科學家設計了包括軸子收音機(axion radios)、空穴量子位(quantum bits in cavities)、甜甜圈形磁鐵等多個實驗捕獲神秘的軸子,但是都還沒有突破性的進展。

NIST的研究人員認為,這次發明的二維量子晶體是探索軸子的新工具,它的敏感度是同類實驗所用儀器的10倍。它由最多達150個鈹離子禁錮在一個磁場內組成,這種設計讓它們排列成只有200微米厚度的平面形態。在遇到外部電場的時候,這層原子會上下振動,就像鼓膜那樣。

所以,研究人員設想在沒有任何外部電場的環境下,一旦這些離子出現振動,就意味著有軸子或是其它類型的暗物質粒子從它們之間穿過。

研究介紹,它超高的敏感度是使用了量子物理學神奇的糾纏現象。軸子對離子造成的影響是非常微小的,利用量子糾纏的特性,研究人員把影響的效果放大。

研究人員利用縱橫交錯的激光束刺激這些離子,使它們的動向這個物理特性和自旋這個電子特性形成糾纏,意即離子任何輕微的移動都會通過其自旋屬性展現出來。

具體來說,研究稱比如讓所有的離子都呈現「上旋」的狀態,如果有任何軸子對它們形成干擾,這些離子的自旋特性一定會出現變化。而這個變化很容易檢測到:離子處於上旋的狀態時,晶體會發光;如果下旋,晶體則變暗。通過這種量子晶體發光的情況,研究人員就能探測到是否有軸子穿過這個儀器。

這份研究8月6日發表於《科學》(Science)期刊。#

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