Kristal kuantum dengan “pembalikan waktu” bisa menjadi sensor baru untuk materi gelap

Fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah menghubungkan atau “melibatkan” gerakan mekanik dan sifat elektronik dari kristal biru kecil, memberikan keuntungan kuantum dalam mengukur medan listrik dengan sensitivitas rekor yang merupakan pemahaman alam semesta.

Sensor kuantum terdiri dari 150 ion berilium (atom bermuatan listrik) yang terkunci dalam medan magnet sehingga menyusun diri menjadi kristal 2D datar dengan diameter hanya 200 persejuta meter. Sensor kuantum seperti ini memiliki potensi untuk mendeteksi sinyal dari materi gelap – zat misterius yang, di antara teori lainnya, bisa berubah menjadi partikel subatomik yang berinteraksi dengan materi normal melalui medan elektromagnetik yang lemah. Kehadiran materi gelap dapat menyebabkan kristal bergoyang dengan cara yang berbahaya, diungkapkan oleh perubahan kolektif antara ion kristal dalam salah satu sifat elektroniknya yang disebut spin.

Seperti yang dijelaskan dalam edisi 6 Agustus 2021 Sainspeneliti dapat mengukur eksitasi getaran kristal – bidang datar yang bergerak naik turun seperti gendang telinga – dengan memantau perubahan putaran kolektif. Pengukuran putaran menunjukkan tingkat eksitasi getaran, yang disebut sebagai perpindahan.

Ilustrasi kristal kuantum dari NIST. Kredit foto: Burrows / JILA

Sensor ini dapat mengukur medan listrik eksternal yang memiliki frekuensi osilasi yang sama dengan kristal, dengan sensitivitas lebih dari 10 kali lipat dari semua sensor atom yang ditunjukkan sebelumnya. (Secara teknis, sensor dapat mengukur 240 nanovolt per meter dalam satu detik.) Dalam percobaan, para peneliti menerapkan medan listrik yang lemah untuk merangsang dan menguji sensor kristal. Pencarian materi gelap akan mencari sinyal seperti itu.

“Kristal ion dapat mendeteksi jenis materi gelap tertentu – contohnya termasuk axion dan foton tersembunyi – yang berinteraksi dengan materi normal melalui medan listrik yang lemah,” kata John Bollinger, penulis senior NIST. “Materi gelap membentuk sinyal latar belakang dengan frekuensi osilasi yang bergantung pada massa partikel materi gelap. Eksperimen untuk menemukan jenis materi gelap ini telah berlangsung dengan sirkuit superkonduktor selama lebih dari satu dekade. Pergerakan ion yang terperangkap memastikan sensitivitas pada rentang frekuensi yang berbeda.”

Kelompok Bollinger telah bekerja dengan kristal ion selama lebih dari satu dekade. Apa yang baru adalah penggunaan jenis sinar laser tertentu untuk menjerat gerakan kolektif dan putaran sejumlah besar ion, serta apa yang disebut para peneliti sebagai strategi “pembalikan waktu” untuk mendeteksi hasilnya.

Ilustrasi kristal kuantum dari NIST. Kredit foto: Burrows / JILA

Eksperimen ini mendapat manfaat dari kolaborasi dengan ahli teori NIST Ana Maria Rey, yang bekerja di JILA, institut bersama NIST dan University of Colorado Boulder. Pekerjaan teori sangat penting dalam memahami keterbatasan pengaturan laboratorium, memberikan model baru untuk memahami eksperimen yang valid untuk sejumlah besar ion yang terperangkap, dan menunjukkan bahwa manfaat kuantum dihasilkan dari belitan putaran dan gerak, kata Bollinger.

Rey mencatat bahwa keterjeratan bermanfaat dalam membatalkan kebisingan kuantum intrinsik ion., Namun, sulit untuk mengukur keadaan kuantum terjerat tanpa menghancurkan informasi yang dibagikan antara putaran dan gerak.

“Untuk menghindari masalah ini, John mampu membalikkan dinamika dan mengurai putaran dan gerakan setelah pergeseran diterapkan,” kata Rey. “Kali ini pembalikan memisahkan putaran dari gerakan, dan sekarang putaran kolektif itu sendiri telah menyimpan informasi perpindahan, dan jika kita mengukur putaran, kita dapat menentukan perpindahan dengan sangat akurat. Itu rapi! “

Para peneliti menggunakan gelombang mikro untuk menghasilkan nilai yang diinginkan untuk putaran. Ion dapat spin-up (sering disebut sebagai panah atas), spin-down, atau sudut lain, termasuk keduanya pada saat yang sama, keadaan kuantum khusus. Dalam percobaan ini, semua ion memiliki putaran yang sama – pertama ke atas dan kemudian horizontal – jadi ketika tereksitasi mereka berotasi bersama dalam pola yang merupakan karakteristik giroskop.

Sinar laser bersilangan dengan perbedaan frekuensi yang hampir sama dengan gerakan digunakan untuk menjerat putaran kolektif dengan gerakan. Kristal tersebut kemudian digetarkan. Laser dan gelombang mikro yang sama digunakan untuk memecahkan keterikatan. Untuk menentukan seberapa banyak kristal itu bergerak, para peneliti mengukur tingkat putaran fluoresensi ion (spin-up menyebarkan cahaya, spin-down gelap).

Di masa depan, meningkatkan jumlah ion menjadi 100.000 dengan membuat kristal 3D diharapkan dapat meningkatkan kemampuan deteksi tiga puluh kali lipat. Selain itu, stabilitas gerakan tereksitasi kristal dapat ditingkatkan, yang akan meningkatkan proses pembalikan waktu dan akurasi hasil.

“Jika aspek ini dapat ditingkatkan, eksperimen ini dapat menjadi sumber daya fundamental untuk mendeteksi materi gelap,” kata Rey. “Kita tahu bahwa 85% materi di alam semesta terdiri dari materi gelap, tetapi sampai hari ini kita tidak tahu terbuat dari apa materi gelap itu. Eksperimen ini dapat memungkinkan kita untuk mengungkap rahasia ini di masa depan.”

Rekan penulis termasuk peneliti dari University of Oklahoma. Pekerjaan ini didukung sebagian oleh Departemen Energi AS, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan, Kantor Penelitian Angkatan Darat, dan National Science Foundation.

Referensi: “Sensor perpindahan dan medan listrik yang ditingkatkan kuantum dengan kristal ion terperangkap dua dimensi” oleh KA Gilmore, M. Affolter, RJ Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey dan JJ Bollinger., 5 Agustus 2021, Sains.
DOI: 10.1126 / science.abi5226