二维量子晶体传感器将是我们搜寻暗物质粒子的新帮手

暗物质应该就在我们周围，但令人沮丧的是，暗物质实在是难以捉摸。现在，美国国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家们开发了一种新的传感器，利用二维量子晶体，可以帮助我们探测某些假想的暗物质粒子。

上图：量子晶体的图解，由具有相同“向上”自旋态的铍离子(红色)组成。

几十年的天体物理观测表明，宇宙中的质量比我们所能看到的要多得多。这也使得科学家们提出了一种假说，即宇宙是由一种我们称之为暗物质的奇怪物质所主导的，这种物质不会以任何方式反射、折射或与光相互作用，只会通过其强大的引力影响普通物质。

在太空中，这种物质的观测证据不断增加，但还是很难直接探测到。这并不是因为缺少尝试，有许多的科学家在不断地提出或进行实验，旨在根据不同的属性检测不同的候选粒子，这些粒子可能具有也可能没有。许多实验室还使用了巨大的地下储罐，里面装满了液体，可以探测到经过的暗物质粒子的碰撞，而其他实验室则在寻找它们对微小摆锤的引力影响。

其中，主要候选者之一是一种称为轴子的假想粒子。 模型表明，轴子具有中性电荷，几乎没有质量，以波的形式四处漂移，最重要的是对电磁学的影响很小。 实验已经使用“轴子无线电”、空腔中的量子位或甜甜圈形磁铁来寻找这种相互作用。

上图：NIST物理学家John Bollinger(左)和Matt Affolter(右)用光学系统捕获和研究铍离子。

现在，NIST 团队开发了一种新型轴子传感器。 它由被困在磁场中的 150 个铍离子组成，这迫使它们将自己排列成一个只有 200 微米厚的平面。 当暴露在电场中时，原子平面会像鼓一样上下移动 —— 所以，如果它们与任何外部电场保持隔离，发现这种运动可能表明轴子或其他暗物质粒子已经穿过。

该团队表示，该传感器的灵敏度将是其他类似实验的10倍，能够在一秒内检测到每米240纳伏特的电场。这可以帮助它在更广的频率范围内找到轴子。

这种额外的敏感性来自于量子物理学的诡异世界。任何轴子在离子上的位移都非常小，很难测量，所以研究人员使用量子纠缠来放大信号。

该团队用纵横交错的激光束照射离子，这导致离子的运动与称为“自旋”的电子特性密不可分。 所有离子都“向上”旋转，因此它们集体自旋的任何变化都可以揭示出它们运动的任何位移，这是由轴子引起的。 方便的是，测量它们的自旋相对容易 —— 如果离子处于向上旋转状态，晶体会发出荧光，但如果它们处于向下旋转状态，晶体则会保持黑暗。

这种量子晶体的荧光可以揭示轴子是否已经穿过仪器。

研究人员表示，通过制造包含100000个离子的3D晶体，未来的工作可以将探测器的灵敏度提高 30 倍。 如果这个实验能加入到寻找暗物质的行列中来，它可能有助于解开最持久的宇宙奥秘之一。

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