Cristal quântico com ‘Inversão de Tempo’ pode ser um novo sensor de matéria escura

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Cristal quântico com 'Inversão de Tempo' pode ser um novo sensor de matéria escura
Cristal quântico com 'Inversão de Tempo' pode ser um novo sensor de matéria escura
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Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) vincularam, ou “entrelaçaram”, o movimento mecânico e as propriedades eletrônicas de um minúsculo cristal azul, dando-lhe uma vantagem quântica na medição de campos elétricos com sensibilidade de registro que pode melhorar a compreensão de o universo.

O sensor quântico consiste em 150 íons de berílio (átomos eletricamente carregados) confinados em um campo magnético, então eles se auto-organizam em um cristal 2D plano de apenas 200 milionésimos de um metro de diâmetro. Sensores quânticos como esse têm o potencial de detectar sinais da matéria escura – uma substância misteriosa que pode ser, entre outras teorias, partículas subatômicas que interagem com a matéria normal por meio de um campo eletromagnético fraco. A presença de matéria escura pode fazer com que o cristal se mova de maneira reveladora, revelada por mudanças coletivas entre os íons do cristal em uma de suas propriedades eletrônicas, conhecida como spin.

Conforme descrito na edição de 6 de agosto de 2021 da Science , os pesquisadores podem medir a excitação vibracional do cristal – o plano plano movendo-se para cima e para baixo como a cabeça de um tambor – monitorando as mudanças na rotação coletiva. Medir o spin indica a extensão da excitação vibracional, conhecida como deslocamento.

Ilustração do cristal quântico do NIST. Crédito: Burrows / JILA
Ilustração do cristal quântico do NIST. Crédito: Burrows / JILA

Este sensor pode medir campos elétricos externos que têm a mesma frequência de vibração do cristal com mais de 10 vezes a sensibilidade de qualquer sensor atômico demonstrado anteriormente. (Tecnicamente, o sensor pode medir 240 nanovolts por metro em um segundo.) Nos experimentos, os pesquisadores aplicam um campo elétrico fraco para excitar e testar o sensor de cristal. Uma pesquisa de matéria escura procuraria esse sinal.

“Os cristais de íons podem detectar certos tipos de matéria escura – exemplos são axions e fótons ocultos – que interagem com a matéria normal através de um campo elétrico fraco”, disse o autor sênior do NIST, John Bollinger. “A matéria escura forma um sinal de fundo com uma frequência de oscilação que depende da massa da partícula de matéria escura. Experimentos em busca desse tipo de matéria escura estão em andamento há mais de uma década com circuitos supercondutores. O movimento de íons aprisionados fornece sensibilidade em uma faixa diferente de frequências. ”

O grupo de Bollinger trabalha com o cristal de íon há mais de uma década. A novidade é o uso de um tipo específico de luz laser para emaranhar o movimento coletivo e as rotações de um grande número de íons, além do que os pesquisadores chamam de estratégia de “reversão do tempo” para detectar os resultados.

O experimento se beneficiou de uma colaboração com a teórica do NIST Ana Maria Rey, que trabalha no JILA, um instituto conjunto do NIST e da Universidade de Colorado Boulder. O trabalho teórico foi crítico para entender os limites da configuração do laboratório, ofereceu um novo modelo para entender o experimento que é válido para um grande número de íons aprisionados e demonstrou que a vantagem quântica vem do emaranhamento do spin e do movimento, disse Bollinger.

Rey observou que o emaranhamento é benéfico no cancelamento do ruído quântico intrínseco dos íons. No entanto, medir o estado quântico emaranhado sem destruir a informação compartilhada entre o spin e o movimento é difícil.

“Para evitar esse problema, John é capaz de reverter a dinâmica e desemaranhar o giro e o movimento depois que o deslocamento é aplicado”, disse Rey. “Desta vez, a reversão desacopla o spin e o movimento, e agora o próprio spin coletivo tem as informações de deslocamento armazenadas nele, e quando medimos os spins podemos determinar o deslocamento com muita precisão. Isso é legal! ”

Os pesquisadores usaram microondas para produzir os valores desejados dos spins. Os íons podem ser girados para cima (geralmente imaginados como uma seta apontando para cima), girando para baixo ou outros ângulos, incluindo ambos ao mesmo tempo, um estado quântico especial. Neste experimento, todos os íons tiveram o mesmo spin – primeiro giram para cima e depois para a horizontal – então, quando excitados, eles giraram juntos em um padrão característico de piões.

Feixes de laser cruzados, com uma diferença de frequência quase igual à do movimento, foram usados ​​para emaranhar o giro coletivo com o movimento. O cristal foi então excitado vibracionalmente. Os mesmos lasers e microondas foram usados ​​para desfazer o emaranhamento. Para determinar quanto o cristal se moveu, os pesquisadores mediram o nível de fluorescência do spin dos íons (spin up espalha a luz, spin down é escuro).

No futuro, o aumento do número de íons para 100.000 por meio da fabricação de cristais 3D deve melhorar a capacidade de detecção trinta vezes. Além disso, a estabilidade do movimento excitado do cristal poderia ser melhorada, o que aumentaria o processo de reversão do tempo e a precisão dos resultados.

“Se formos capazes de melhorar este aspecto, este experimento pode se tornar um recurso fundamental para detectar matéria escura”, disse Rey. “Sabemos que 85% da matéria no universo é feita de matéria escura, mas até agora não sabemos do que é feita a matéria escura. Esta experiência pode permitir-nos no futuro desvendar este mistério. ”

Os co-autores incluíram pesquisadores da Universidade de Oklahoma. Este trabalho é apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, Escritório de Pesquisa do Exército e Fundação Nacional de Ciência.

Referência: “Detecção aprimorada quântica de deslocamentos e campos elétricos com cristais de íons presos bidimensionais” por KA Gilmore, M. Affolter, RJ Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey e JJ Bollinger., 5 Agosto de 2021, Science.
DOI: 10.1126 / science.abi5226

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