Kvantinis kristalas gali padėti atskleisti tamsiosios materijos paslaptį

Naudodamiesi kvantinės mechanikos keistenybėmis, mokslininkai sukūrė berilio kristalą, galintį aptikti neįtikėtinai silpnus elektromagnetinius laukus. Šį darbą vieną dieną būtų galima panaudoti hipotetinėms tamsiosios materijos dalelėms, vadinamoms aksionais, aptikti.

Įkalinti jonai

Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.

Tyrėjai savo kvantinį kristalą sukūrė įkalinę 150 įkrautų berilio dalelių, naudodami elektrodų ir magnetinių laukų sistemą, kuri padėjo įveikti natūralų jų tarpusavio atstūmimą, „Live Science“ pasakojo Ana Maria Rey, atominė fizikė iš JILA, bendro Nacionalinio standartų ir technologijų instituto ir Kolorado universiteto Boulderyje, instituto.

Kai A.Rey ir jos kolegos „įkalino“ jonus savo laukų ir elektrodų sistema, atomai savaime susiformavo į dvigubai storesnę už žmogaus plauką struktūrą.

Kai berilio „kristalas“ susidūrė su elektromagnetiniu lauku, jis sujudėjo, o šį judesį buvo galima paversti lauko stiprumo matavimu.

Tačiau bet kurios kvantinės mechaninės sistemos matavimams taikomi apribojimai, nustatyti Heizenbergo neapibrėžtumo principu, kuris teigia, kad tam tikrų dalelės savybių, pavyzdžiui, jos padėties ir impulso, vienu metu negalima žinoti labai tiksliai.

Komanda sugalvojo būdą, kaip apeiti šią ribą naudojant susietumą, kai kvantinių dalelių savybės yra neatsiejamai susijusios tarpusavyje.

„Naudodami kvantinį susiliejimą galime apčiuopti dalykus, kurie kitaip neįmanomi“, – sakė mokslininkė.

Kai kristalas vibruoja, jis tam tikru mastu juda. Tačiau dėl neapibrėžtumo principo bet koks šio poslinkio arba jonų judėjimo kiekio matavimas būtų ribojamas tikslumo ir turėtų daug vadinamojo kvantinio triukšmo.

Jonų judesių ir jų sukinių susiliejimas išsklaido šį triukšmą, sumažindamas jį ir leisdamas tyrėjams išmatuoti itin mažus kristalo svyravimus. Jie išbandė sistemą siųsdami per ją silpną elektromagnetinę bangą ir stebėdami, kaip ji vibruoja. Darbas aprašytas rugpjūčio 6 d. žurnale „Science“.

Šis kristalas jau dabar yra 10 kartų jautresnis aptikti mažyčius elektromagnetinius signalus nei ankstesni kvantiniai jutikliai. Tačiau komanda mano, kad, panaudojus daugiau berilio jonų, būtų galima sukurti dar jautresnį detektorių, galintį ieškoti aksionų.

Aksionai yra siūloma itin lengva tamsiosios madžiagos dalelė, kurios masė yra milijoninė arba milijardinė elektrono masės dalis. Kai kuriuose aksiono modeliuose teigiama, kad jis kartais gali virsti fotonu, tuomet jis nebebūtų tamsus ir sukurtų silpną elektromagnetinį lauką. Jei koks nors aksionas praskristų pro laboratoriją, kurioje yra šis berilio kristalas, kristalas galėtų užfiksuoti jo buvimą.