科學家創造特殊量子晶體：直指暗物質粒子——軸子

發布時間：2021-10-11瀏覽：2375次

利用一種奇特的量子力學原理，研究人員創造出了一種特殊的鈹晶體，能夠探測到極其微弱的電磁場。這項成果日后或許可以用于探測假想中的暗物質粒子——軸子。

原子物理學家用一套電極+磁場系統克服了鈹粒子之間的天然排斥力，將150個帶電鈹粒子困在一起，從而創造出了這種獨特的量子晶體。

當用這套電極+磁場系統圍困住鈹離子時，這些原子便自動組合成了一張薄膜，厚度約為人類頭發直徑的兩倍。

這樣的組合就像晶體一樣，受到外力干擾時會發生振蕩，將這些原子變為激發態時，它們不會各動各的，而是會作為一個整體共同振動。

這種鈹“晶體”遇到電磁場時會產生一定反應。通過它們的振動情況，便可測算出電磁場的強度。

但對任何量子力學系統的測量都受制于海森堡不確定性原理，即粒子的位置和動能等特性無法同時準確測出。

不過，該團隊利用量子糾纏原理，設法繞開了這一限制。

物理學家將鈹離子的運動與自旋之間建立起了糾纏關系。如果將量子系統比作一個個迷你的箭頭，自旋就描述了這些箭頭的指向，比如“向上”或者“向下”。

晶體發生振蕩時，會產生一定量的位移，但由于海森堡不確定性原理，對位移的測量精確度始終受限，其中還包含大量量子噪聲。要想測量出這種位移，“位移程度必須大于量子噪聲才行”。

離子的運動與自旋之間的糾纏關系可以將量子噪聲分散開來，從而降低噪聲，讓研究人員得以測量出晶體產生的超微弱波動。為測試其性能，他們向這套系統釋放了一道微弱的電磁波，借此觀察系統的振蕩情況。

該晶體探測微弱電磁信號的敏感度已經比之前的量子傳感器高了十倍，但該團隊認為，如果增加鈹離子的數量，或許還能打造出一臺更加敏感的探測器，用于軸子的搜索。

軸子是一種假想中的超輕暗物質粒子，質量只有電子的百萬分，甚至10億分之一。

一些軸子模型認為，軸子有時可以轉化為光子，在這種情況下，它就不再是“暗”物質了，而是會產生微弱的電磁場。

假如上述鈹晶體所在的實驗室中有軸子飛過，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之外，這項研究還可能應用于多種場景，比如搜索實驗室中由電線產生的雜散電磁場、或進行材料探傷等等。

量子糾纏概念圖