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(shí)間：2021-10-11瀏覽：2863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(cè)到極其微弱的電磁場(chǎng)。這項(xiàng)成果日后或許可以用于探測(cè)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(chǎng)系統(tǒng)克服了鈹粒子之間的天然排斥力，將150個(gè)帶電鈹粒子困在一起，從而創(chuàng)造出了這種獨(dú)特的量子晶體。

當(dāng)用這套電極+磁場(chǎng)系統(tǒng)圍困住鈹離子時(shí)，這些原子便自動(dòng)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(shí)會(huì)發(fā)生振蕩，將這些原子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)時(shí)，它們不會(huì)各動(dòng)各的，而是會(huì)作為一個(gè)整體共同振動(dòng)。

這種鈹“晶體”遇到電磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定反應(yīng)。通過(guò)它們的振動(dòng)情況，便可測(cè)算出電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

但對(duì)任何量子力學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量都受制于海森堡不確定性原理，即粒子的位置和動(dòng)能等特性無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)出。

不過(guò)，該團(tuán)隊(duì)利用量子糾纏原理，設(shè)法繞開(kāi)了這一限制。

物理學(xué)家將鈹離子的運(yùn)動(dòng)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(gè)個(gè)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定量的位移，但由于海森堡不確定性原理，對(duì)位移的測(cè)量精確度始終受限，其中還包含大量量子噪聲。要想測(cè)量出這種位移，“位移程度必須大于量子噪聲才行”。

離子的運(yùn)動(dòng)與自旋之間的糾纏關(guān)系可以將量子噪聲分散開(kāi)來(lái)，從而降低噪聲，讓研究人員得以測(cè)量出晶體產(chǎn)生的超微弱波動(dòng)。為測(cè)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(cè)微弱電磁信號(hào)的敏感度已經(jīng)比之前的量子傳感器高了十倍，但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果增加鈹離子的數(shù)量，或許還能打造出一臺(tái)更加敏感的探測(cè)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(wàn)分，甚至10億分之一。

一些軸子模型認(rèn)為，軸子有時(shí)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(huì)產(chǎn)生微弱的電磁場(chǎng)。

假如上述鈹晶體所在的實(shí)驗(yàn)室中有軸子飛過(guò)，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(xiàng)研究還可能應(yīng)用于多種場(chǎng)景，比如搜索實(shí)驗(yàn)室中由電線產(chǎn)生的雜散電磁場(chǎng)、或進(jìn)行材料探傷等等。

量子糾纏概念圖