Nuovo sensore basato su cristallo quantico potrebbe rilevare materia oscura

Schema del cristallo quantico (credito: Burrows/JILA)

Un piccolissimo cristallo blu, con una particolare tecnica ideata da un team di fisici National Institute of Standards and Technology (NIST), potrebbe essere usato come nuovo sensore per rilevare la materia oscura. Si tratta di un sensore quantistico fatto di 150 ioni di berillio confinati all’interno di un campo magnetico. I ricercatori li hanno disposti in modo da formare un cristallo piatto 2D del diametro di soli 200 milionesimi di metro.

Con questo sensore si possono misurare i campi elettrici esterni che hanno una frequenza di vibrazione coincidente con quella del cristallo. Rispetto agli altri sensori atomici, questo, come riferisce il comunicato pubblicato dal NIST, risulta essere 10 volte più sensibile tanto da poter misurare 240 nanovolt per metro in un secondo.
Nel corso degli esperimenti svolti in laboratorio, questo sensore poteva reagire ad un campo elettrico debolissimo, una proprietà che permetterebbe allo stesso sensore di rilevare, forse, di rilevare anche la materia oscura.

Secondo quanto spiega John Bollinger, l’autore senior dello studio, con un cristallo del genere si potrebbero rilevare assioni e fotoni non normalmente intercettabili, di quelli che interagiscono con la normale materia solo attraverso debolissimi campi elettrici. La materia scura, infatti, è caratterizzata da un segnale di fondo la cui oscillazione è relativa alla massa delle particelle che compongono la stessa materia oscura.
E da molti anni che si stanno facendo esperimenti per rilevare proprio queste particelle, esperimenti spesso eseguiti con circuiti superconduttori.

I ricercatori sono riusciti a superare anche una particolare difficoltà di fondo: è molto difficile stimare lo stato quantistico entangled senza intaccare le informazioni relative agli ioni intrappolati nel sensore. Per ovviare a questo problema, i ricercatori hanno invertito la dinamica all’interno del cristallo in modo che l’inversione disaccoppi lo spin in movimento e che lo spin collettivo abbia le informazioni di spostamento memorizzate su di esso: “Quando misuriamo gli spin possiamo determinare lo spostamento in modo molto preciso”.

“Sappiamo che l’85% della materia nell’universo è fatta di materia oscura, ma ad oggi non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura. Questo esperimento potrebbe permetterci in futuro di svelare questo mistero”, spiega Ana Maria Rey, fisica teorica del NIST che lavora anche presso l’Università del Colorado a Boulder.

Note e approfondimenti

  1. Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals | Science (IA) (DOI: 10.1126/science.abi5226)

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