特殊量子晶体也许能探测到暗物质粒子 —— 轴子

北京时间 10 月 11 日消息，据国外媒体报道，利用一种奇特的量子力学原理，研究人员创造出了一种特殊的铍晶体，能够探测到极其微弱的电磁场。这项成果日后或许可以用于探测假想中的暗物质粒子 —— 轴子。

▲ 图为量子纠缠概念图。科学家将铍离子的运动与自旋纠缠在了一起，创造出了一种特殊的铍晶体，可以探测到极其微弱的电磁场。

原子物理学家用一套电极 + 磁场系统克服了铍粒子之间的天然排斥力，将 150 个带电铍粒子困在一起，从而创造出了这种独特的量子晶体。

当用这套电极 + 磁场系统围困住铍离子时，这些原子便自动组合成了一张薄膜，厚度约为人类头发直径的两倍。这样的组合就像晶体一样，受到外力干扰时会发生振荡，将这些原子变为激发态时，它们不会各动各的，而是会作为一个整体共同振动。

这种铍“晶体”遇到电磁场时会产生一定反应。通过它们的振动情况，便可测算出电磁场的强度。

但对任何量子力学系统的测量都受制于海森堡不确定性原理：即粒子的位置和动能等特性无法同时准确测出。不过，该团队利用量子纠缠原理，设法绕开了这一限制。

物理学家将铍离子的运动与自旋之间建立起了纠缠关系。如果将量子系统比作一个个迷你的箭头，自旋就描述了这些箭头的指向，比如“向上”或者“向下”。

晶体发生振荡时，会产生一定量的位移。但由于海森堡不确定性原理，对位移的测量精确度始终受限，其中还包含大量量子噪声。要想测量出这种位移，“位移程度必须大于量子噪声才行”。

离子的运动与自旋之间的纠缠关系可以将量子噪声分散开来，从而降低噪声，让研究人员得以测量出晶体产生的超微弱波动。为测试其性能，他们向这套系统释放了一道微弱的电磁波，借此观察系统的振荡情况。

该晶体探测微弱电磁信号的敏感度已经比之前的量子传感器高了十倍，但该团队认为，如果增加铍离子的数量，或许还能打造出一台更加敏感的探测器，用于轴子的搜索。

轴子是一种假想中的超轻暗物质粒子，质量只有电子的百万分、甚至 10 亿分之一。一些轴子模型认为，轴子有时可以转化为光子，在这种情况下，它就不再是“暗”物质了，而是会产生微弱的电磁场。假如上述铍晶体所在的实验室中有轴子飞过，这些晶体或许便可捕捉到轴子的存在。

除了有助于搜索暗物质之外，这项研究还可能应用于多种场景，比如搜索实验室中由电线产生的杂散电磁场、或进行材料探伤等等。