کریستال کوانتومی با « معکوس شدن زمان» می‌تواند یک سنسور جدید ماده تاریک باشد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۵ آگوست ۲۰۲۱
لینک منبع Quantum Crystal With “Time Reversal” Could Be a New Dark Matter Sensor

فیزیک‌دانان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) حرکت مکانیکی و خواص الکترونیکی یک کریستال آبی کوچک را با هم مرتبط کرده یا "درهم تنیده" کرده و به آن لبه کوانتومی در اندازه گیری میدان‌های الکتریکی با حساسیت ضبط شده می‌دهند که ممکن است درک جهان را بهبود بخشد.

حسگر کوانتومی شامل 150 یون بریلیوم (اتم‌های دارای بار الکتریکی) است که در یک میدان مغناطیسی محصور شده‌اند، بنابراین آن‌ها خود را به صورت کریستال مسطح دو بعدی با قطر 200 میلیونیومتر خود مرتب می‌کنند. سنسورهای کوانتوم مانند این، این پتانسیل را دارند که سیگنال‌ها را از ماده تاریک تشخیص دهند-ماده‌ای مرموز که ممکن است در میان نظریه‌های دیگر، ذرات زیر اتمی باشند که با ماده نرمال از طریق یک میدان الکترومغناطیسی ضعیف تعامل دارند. وجود ماده تاریک می‌تواند باعث تکان خوردن کریستال به روش‌های گوناگون شود، که توسط تغییرات جمعی در یون‌های بلور در یکی از ویژگی‌های الکترونیکی آن‌ها، که به اسپین معروف است، آشکار می‌شود.

همانطور که در ۶ آگوست ۲۰۲۱ در موضوع علم توضیح داده شد، محققان می‌توانند تحریک ارتعاشی کریستال-صفحه تخت که مانند سر یک طبل بالا و پایین می‌رود-را با نظارت بر تغییرات در چرخش جمعی اندازه‌گیری کنند. اندازه‌گیری چرخش نشان‌دهنده میزان تحریک ارتعاشی است که به آن جابجایی گفته می‌شود.

این سنسور می‌تواند میدان‌های الکتریکی خارجی را که فرکانس ارتعاش یکسانی با کریستال دارند، با بیش از ۱۰ برابر حساسیت هر سنسور اتمی که قبلا نشان داده شده‌است، اندازه‌گیری کند. (از لحاظ فنی، سنسور می‌تواند ۲۴۰ نانو ولت در هر متر را در یک ثانیه اندازه‌گیری کند.) در آزمایش‌ها، محققان از یک میدان الکتریکی ضعیف برای تحریک و تست سنسور کریستال استفاده می‌کنند. جستجوی ماده تاریک به دنبال چنین علامتی خواهد بود.

جان بولینگر نویسنده ارشد NIST گفت: « کریستال‌های یونی می‌توانند انواع خاصی از ماده تاریک را تشخیص دهند-مثال‌ها آکسون‌ها و فوتون‌های مخفی هستند-که از طریق میدان الکتریکی ضعیف با ماده معمولی در تعامل هستند.» ماده تاریک یک سیگنال پس‌زمینه با فرکانس نوسان شکل می‌دهد که به جرم ذره ماده تاریک بستگی دارد. آزمایش‌های جستجو برای این نوع ماده تاریک بیش از یک دهه است که با مدارهای ابررسانایی در حال انجام است. حرکت یون‌های به‌دام‌افتاده، حساسیت را در محدوده مختلفی از فرکانس‌ها فراهم می‌کند.

گروه بولینگر بیش از یک دهه است که با کریستال یون کار می‌کند. نکته جدید استفاده از نوع خاصی از نور لیزر برای درگیر شدن حرکت جمعی و چرخش تعداد زیادی از یون‌ها است، به علاوه آنچه که محققان آن را استراتژی "معکوس شدن زمان" برای تشخیص نتایج می‌نامند.

این آزمایش از هم‌کاری با آنا ماریا ری، نظریه‌پرداز NIST که در JILA، موسسه مشترک NIST و دانشگاه کلورادو بولدر کار می‌کند، سود برد. بولینگر گفت که کار تئوری برای درک محدودیت‌های راه‌اندازی آزمایشگاهی حیاتی بود، یک مدل جدید برای درک آزمایشی ارائه داد که برای تعداد زیادی از یون‌های به‌دام‌افتاده معتبر است، و نشان داد که مزیت کوانتومی ناشی از درگیر کردن چرخش و حرکت است.

ری اشاره کرد که درهم‌تنیدگی در حذف نویز کوانتومی ذاتی یون‌ها سودمند است. با این حال، اندازه‌گیری حالت کوانتومی درگیر بدون از بین بردن اطلاعات به اشتراک گذاشته شده بین اسپین و حرکت، دشوار است.

ری گفت: « برای جلوگیری از این مساله، جان قادر به معکوس کردن دینامیک و جدا کردن چرخش و حرکت پس از اعمال جابجایی است.» این برگشت زمان چرخش و حرکت را جدا می‌کند، و اکنون خود چرخش جمعی اطلاعات جابجایی را در خود ذخیره‌ دارد، و هنگامی که ما اسپین را اندازه‌گیری می‌کنیم می‌توانیم جابجایی را بسیار دقیق تعیین کنیم. این خیلی جالب است!

محققان از امواج ماکروویو برای تولید مقادیر مطلوب از اسپین‌ها استفاده کردند. یون‌ها می‌توانند به سمت بالا بچرخند (اغلب به عنوان یک تیر به سمت بالا تصور می‌شود)‌، به سمت پایین بچرخند یا زوایای دیگر‌، از جمله هر دو به طور هم‌زمان‌، یک حالت کوانتومی خاص باشند. در این آزمایش، یون‌ها همه دارای یک اسپین یکسان بودند- ابتدا به سمت بالا و سپس به صورت افقی چرخیدند- بنابراین وقتی برانگیخته شدند، با هم در یک الگوی چرخش بالا می‌چرخند.

از پرتوهای لیزر متقاطع، با تفاوت در فرکانس که تقریبا با حرکت یک‌سان بود، برای قرار دادن چرخش جمعی با حرکت مورد استفاده قرار گرفتند. سپس کریستال از فرط ارتعاش برانگیخته شد. همان لیزرها و امواج مایکروویو برای از بین بردن این گرفتگی‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. برای تعیین اینکه کریستال چقدر حرکت می‌کند، محققان سطح چرخش یون‌ها در فلئورسانس را اندازه‌گیری کردند (چرخش بالا نور پراکنده‌ می‌کند، چرخش به سمت پایین تاریک است).

در آینده، انتظار می‌رود که افزایش تعداد یون‌ها به ۱۰۰۰۰۰ با ایجاد کریستال‌های سه‌بعدی، قابلیت سنجش را تا سی برابر بهبود بخشد. علاوه بر این، پایداری حرکت برانگیخته کریستال ممکن است بهبود یابد، که فرآیند معکوس زمانی و دقت نتایج را افزایش می‌دهد.

ری گفت: « اگر ما قادر به بهبود این جنبه باشیم، این آزمایش می‌تواند به یک منبع اساسی برای تشخیص ماده تاریک تبدیل شود.» ما می‌دانیم که ۸۵٪ ماده در جهان از ماده تاریک ساخته شده‌است، اما تا به امروز نمی‌دانیم ماده تاریک از چه ساخته شده‌است. این آزمایش به ما این امکان را می‌دهد که در آینده از این راز پرده برداریم.

نویسندگان مشترک شامل محققانی از دانشگاه اوکلاهاما بودند. این کار تا حدی توسط وزارت انرژی ایالات‌متحده، دفتر نیروی هوایی تحقیقات علمی، آژانس پروژه‌های تحقیقات پیشرفته دفاع، دفتر تحقیقات ارتش و بنیاد علوم ملی پشتیبانی می‌شود.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.