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Físicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) han unido, o "enredado", el movimiento mecánico y las propiedades electrónicas de un diminuto cristal azul, dándole una ventaja cuántica en la medición de campos eléctricos con una sensibilidad récord que podría mejorar la comprensión del universo.
El sensor cuántico está formado por 150 iones de berilio (átomos cargados eléctricamente) confinados en un campo magnético, de modo que se autoorganizan en un cristal 2D plano de apenas 200 millonésimas de metro de diámetro. Los sensores cuánticos como éste tienen el potencial de detectar señales de la materia oscura, una misteriosa sustancia que podría resultar ser, entre otras teorías, partículas subatómicas que interactúan con la materia normal a través de un débil campo electromagnético. La presencia de materia oscura podría hacer que el cristal se mueva de forma reveladora, revelada por los cambios colectivos entre los iones del cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocida como espín.
Como se describe en el número del 6 de agosto de 2021 de Science, los investigadores pueden medir la excitación vibratoria del cristal -el plano que se mueve hacia arriba y hacia abajo como la cabeza de un tambor- controlando los cambios en el espín colectivo. La medición del espín indica el alcance de la excitación vibracional, lo que se denomina desplazamiento.
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| Ilustración del cristal cuántico del NIST. Crédito: Burrows/JILA |
Este sensor puede medir campos eléctricos externos que tienen la misma frecuencia de vibración que el cristal con una sensibilidad más de 10 veces superior a la de cualquier sensor atómico demostrado anteriormente. (Técnicamente, el sensor puede medir 240 nanovoltios por metro en un segundo). En los experimentos, los investigadores aplican un campo eléctrico débil para excitar y probar el sensor de cristal. Una búsqueda de materia oscura buscaría una señal de este tipo.
"Los cristales de iones podrían detectar ciertos tipos de materia oscura - ejemplos son los axiones y los fotones ocultos - que interactúan con la materia normal a través de un campo eléctrico débil", dijo el autor principal del NIST, John Bollinger. "La materia oscura forma una señal de fondo con una frecuencia de oscilación que depende de la masa de la partícula de materia oscura. Los experimentos de búsqueda de este tipo de materia oscura se llevan a cabo desde hace más de una década con circuitos superconductores. El movimiento de los iones atrapados proporciona sensibilidad en un rango diferente de frecuencias".
El grupo de Bollinger lleva más de una década trabajando con el cristal de iones. Lo nuevo es el uso de un tipo específico de luz láser para entrelazar el movimiento colectivo y los espines de un gran número de iones, además de lo que los investigadores llaman una estrategia de "inversión temporal" para detectar los resultados.
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| Ilustración del cristal cuántico del NIST. Crédito: Burrows/JILA |
El experimento se benefició de la colaboración con la teórica del NIST Ana María Rey, que trabaja en el JILA, un instituto conjunto del NIST y la Universidad de Colorado Boulder. El trabajo teórico fue fundamental para comprender los límites de la configuración del laboratorio, ofreció un nuevo modelo para entender el experimento que es válido para un gran número de iones atrapados, y demostró que la ventaja cuántica proviene del entrelazamiento del espín y el movimiento, dijo Bollinger.
Rey señaló que el entrelazamiento es beneficioso para cancelar el ruido cuántico intrínseco de los iones. Sin embargo, medir el estado cuántico entrelazado sin destruir la información compartida entre el espín y el movimiento es difícil.
"Para evitar este problema, John es capaz de invertir la dinámica y desentrañar el espín y el movimiento después de aplicar el desplazamiento", dijo Rey. "Esta inversión del tiempo desacopla el espín y el movimiento, y ahora el propio espín colectivo tiene la información del desplazamiento almacenada, y cuando medimos los espines podemos determinar el desplazamiento con mucha precisión. Esto es genial".
Los investigadores utilizaron microondas para producir los valores deseados de los espines. Los iones pueden tener un espín hacia arriba (a menudo visualizado como una flecha apuntando hacia arriba), un espín hacia abajo u otros ángulos, incluyendo ambos al mismo tiempo, un estado cuántico especial. En este experimento, todos los iones tenían el mismo espín -primero hacia arriba y luego horizontal-, por lo que al ser excitados giraban juntos en un patrón característico de las peonzas.
Se utilizaron rayos láser cruzados, con una diferencia de frecuencia casi igual a la del movimiento, para entrelazar el espín colectivo con el movimiento. A continuación, el cristal se excitó vibratoriamente. Se utilizaron los mismos láseres y microondas para deshacer el entrelazamiento. Para determinar cuánto se movía el cristal, los investigadores midieron el nivel de fluorescencia del espín de los iones (el espín hacia arriba dispersa la luz, el espín hacia abajo es oscuro).
En el futuro, se espera que el aumento del número de iones a 100.000 mediante la fabricación de cristales en 3D mejore treinta veces la capacidad de detección. Además, se podría mejorar la estabilidad del movimiento de excitación del cristal, lo que mejoraría el proceso de inversión temporal y la precisión de los resultados.
"Si somos capaces de mejorar este aspecto, este experimento puede convertirse en un recurso fundamental para la detección de la materia oscura", dijo Rey. "Sabemos que el 85% de la materia del universo está hecha de materia oscura, pero hasta la fecha no sabemos de qué está hecha la materia oscura. Este experimento podría permitirnos en el futuro desvelar este misterio".
Entre los coautores se encuentran investigadores de la Universidad de Oklahoma. Este trabajo está financiado en parte por el Departamento de Energía de EE.UU., la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de la Ciencia.
Fuentes, créditos y referencias:
“Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with
two-dimensional trapped-ion crystals” by K.A. Gilmore, M. Affolter, R.J.
Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, A.M. Rey and J.J. Bollinger., 5
August 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abi5226
Créditos a SciTechDaily