量子晶体感应器是什么?将有助探测暗物质粒子的神秘世界
最近美国国家标准技术研究所的研究人员发明了一种由二维量子晶体构成的感应器,敏感度是现在最先进的暗物质探测器的10倍,为科学家探索暗物质带来新的希望。
科学家寻找暗物质已经有几十年的时间。越来越多的间接证据表明,宇宙中存在这种物质,它在宇宙中的含量是可见的普通物质的五倍,可是至今找不到任何直接证据显示它的存在。
暗物质理论认为这种物质不会反射、衍射、折射任何光线,或者说它不会与光发生任何形式的互动,但是它会对有质量的物体产生引力。
在暗物质这个大范围的理论下,科学家对于到底暗物质是由哪些粒子组成的,有很多不同的猜测。其中一种叫做轴子,是很多科学家在投入探索的粒子。理论模型显示轴子是中性电荷的粒子,几乎没有质量,在宇宙中以波的形式移动。理论预测这种粒子对电磁场具有弱影响力。
科学家设计了包括轴子收音机、空穴量子位、甜甜圈形磁铁等多个实验捕获神秘的轴子,但是都还没有突破性的进展。
NIST的研究人员认为,这次发明的二维量子晶体是探索轴子的新工具,它的敏感度是同类实验所用仪器的10倍。它由最多达150个铍离子禁锢在一个磁场内组成,这种设计让它们排列成只有200微米厚度的平面形态。在遇到外部电场的时候,这层原子会上下振动,就像鼓膜那样。
所以,研究人员设想在没有任何外部电场的环境下,一旦这些离子出现振动,就意味着有轴子或是其它类型的暗物质粒子从它们之间穿过。
研究介绍,它超高的敏感度是使用了量子物理学神奇地纠缠现象。轴子对离子造成的影响是非常微小的,利用量子纠缠的特性,研究人员把影响的效果放大。
研究人员利用纵横交错的激光束刺激这些离子,使它们的动向这个物理特性和自旋这个电子特性形成纠缠,意即离子任何轻微的移动都会通过其自旋属性展现出来。
具体来说,研究称比如让所有的离子都呈现上旋的状态,如果有任何轴子对它们形成干扰,这些离子的自旋特性一定会出现变化。而这个变化很容易检测到:离子处于上旋的状态时,晶体会发光;如果下旋,晶体则变暗。通过这种量子晶体发光的情况,研究人员就能探测到是否有轴子穿过这个仪器。
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