二維量子晶體感測器將是我們搜尋暗物質粒子的新幫手

暗物質應該就在我們周圍，但令人沮喪的是，暗物質實在是難以捉摸。現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家們開發了一種新的感測器，利用二維量子晶體，可以幫助我們探測某些假想的

暗物質粒子

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上圖：量子晶體的圖解，由具有相同“向上”自旋態的鈹離子（紅色）組成。

幾十年的天體物理觀測表明，宇宙中的質量比我們所能看到的要多得多。這也使得科學家們提出了一種假說，即宇宙是由一種我們稱之為暗物質的奇怪物質所主導的，這種物質不會以任何方式反射、折射或與光相互作用，只會透過其強大的引力影響普通物質。

在太空中，這種物質的觀測證據不斷增加，但還是很難直接探測到。這並不是因為缺少嘗試，有許多的科學家在不斷地提出或進行實驗，旨在根據不同的屬性檢測不同的候選粒子，這些粒子可能具有也可能沒有。許多實驗室還使用了巨大的地下儲罐，裡面裝滿了液體，可以探測到經過的暗物質粒子的碰撞，而其他實驗室則在尋找它們對微小擺錘的引力影響。

其中，主要候選者之一是一種稱為軸子的假想粒子。 模型表明，軸子具有中性電荷，幾乎沒有質量，以波的形式四處漂移，最重要的是對電磁學的影響很小。 實驗已經使用“軸子無線電”、空腔中的量子位或甜甜圈形磁鐵來尋找這種相互作用。

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上圖：NIST物理學家John Bollinger（左）和Matt Affolter（右）用光學系統捕獲和研究鈹離子。

現在，NIST 團隊開發了一種新型軸子感測器。 它由被困在磁場中的 150 個鈹離子組成，這迫使它們將自己排列成一個只有 200 微米厚的平面。 當暴露在電場中時，原子平面會像鼓一樣上下移動 —— 所以，如果它們與任何外部電場保持隔離，發現這種運動可能表明軸子或其他暗物質粒子已經穿過。

該團隊表示，該感測器的靈敏度將是其他類似實驗的10倍，能夠在一秒內檢測到每米240納伏特的電場。這可以幫助它在更廣的頻率範圍內找到軸子。

這種額外的敏感性來自於量子物理學的詭異世界。任何軸子在離子上的位移都非常小，很難測量，所以研究人員使用量子糾纏來放大訊號。

該團隊用縱橫交錯的鐳射束照射離子，這導致離子的運動與稱為“自旋”的電子特性密不可分。 所有離子都“向上”旋轉，因此它們集體自旋的任何變化都可以揭示出它們運動的任何位移，這是由軸子引起的。 方便的是，測量它們的自旋相對容易 —— 如果離子處於向上旋轉狀態，晶體會發出熒光，但如果它們處於向下旋轉狀態，晶體則會保持黑暗。

這種量子晶體的熒光可以揭示軸子是否已經穿過儀器。

研究人員表示，透過製造包含100000個離子的3D晶體，未來的工作可以將探測器的靈敏度提高 30 倍。 如果這個實驗能加入到尋找暗物質的行列中來，它可能有助於解開最持久的宇宙奧秘之一。

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