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Crean un cristal cuántico capaz de detectar materia oscura

Un cristal cuántico, formado por 150 átomos confinados en un campo magnético, es capaz de detectar axiones y fotones de materia oscura cuando interactúan con la materia ordinaria a través de un campo eléctrico débil.

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos han creado un cristal de berilio capaz de detectar campos electromagnéticos extremadamente débiles al que han llamado cristal cuántico. Los resultados de su estudio se publican en la revista Science.

El cristal o sensor cuántico consta de 150 iones (átomos cargados eléctricamente) de berilio (un metal conductor de electricidad y  calor) confinados en un campo magnético, que se autoorganizan en un cristal plano 2D de solo 200 millonésimas de metro de diámetro.

Cuando los investigadores atraparon los iones con su campo magnético y sistema de electrodos, los átomos se juntaron en una hoja plana que es dos veces más gruesa que un cabello humano. Este todo organizado se comporta como un cristal que vibra cuando es perturbado por una fuerza externa.

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Buscando materia oscura

Los sensores cuánticos como el desarrollado en esta investigación tienen el potencial de detectar señales de la materia oscura, según explican sus creadores en un comunicado.

La materia oscura representa alrededor del 80% de la materia del universo​ y está formada, entre otras cosas, por partículas hipotéticas llamadas axiones y fotones oscuros, que algún día podrían detectarse utilizando este cristal cuántico.

La presencia de materia oscura podría hacer que el cristal se mueva de manera reveladora, señalando cambios colectivos entre los iones del cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocida como espín.

Cuando este «cristal» de berilio encuentra un campo electromagnético, se mueve en respuesta, y este movimiento puede traducirse en una medida de la fuerza del campo.

Pero hay un problema, explican los investigadores: las mediciones de cualquier sistema cuántico están sujetas a los límites establecidos por el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

Este principio establece que ciertas propiedades de una partícula, como su posición y momento, no pueden conocerse simultáneamente con una alta precisión.

Entrelazamiento cuántico

El equipo NIST encontró una manera de sortear esta limitación a través del entrelazamiento cuántico: cuando se produce, cualquier alteración en una de las partículas entrelazadas se refleja instantáneamente en la otra, aunque estén físicamente alejadas entre sí.

Los investigadores entrelazaron los movimientos de los iones de berilio con sus giros. Durante el experimento, cuando el cristal vibró, se movió hasta cierto punto.

Pero, debido al principio de incertidumbre, cualquier medida de este desplazamiento, o de la cantidad de movimiento de los iones, quedó sujeta a límites de precisión debido al “ruido cuántico”.

Sin embargo, el entrelazamiento entre los movimientos de los iones y sus espines distribuyó este ruido, reduciéndolo y permitiendo a los investigadores medir fluctuaciones ultrafinas en el cristal.

Probado con éxito

Los investigadores probaron con éxito el cristal cuántico enviándole una onda electromagnética débil y observándolo vibrar.

Comprobaron que el sensor cuántico es diez veces más sensible para detectar pequeñas señales electromagnéticas que los sensores cuánticos comunes.

Los investigadores creen que, con más iones de berilio, podría obtenerse un detector aún más sensible, capaz de distinguir axiones y fotones oscuros, y de detectar así la materia oscura.

Algunos modelos de axiones sugieren que podrían convertirse en un fotón en determinadas circunstancias: en ese caso ya no estaría en el dominio de la materia oscura y produciría un campo electromagnético débil. Si esos axiones pasaran por un laboratorio que contenga este cristal de berilio, podría detectar su presencia.

“Los cristales de iones podrían detectar ciertos tipos de materia oscura – como axiones y fotones oscuros – que interactúan con la materia normal a través de un campo eléctrico débil”, explica el autor principal del NIST, John Bollinger.

Luz láser específica

Y añade: “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 que buscan este tipo de materia oscura se han llevado a cabo durante más de una década con circuitos superconductores. El movimiento de los iones atrapados (en el cristal cuántico) proporciona sensibilidad en un rango diferente de frecuencias».

Este grupo de investigadores ha estado trabajando con el cristal de iones durante más de una década. Lo que aporta de nuevo este trabajo es el uso de un tipo específico de luz láser para entrelazar el movimiento colectivo y los giros de una gran cantidad de iones.

También aporta como novedad lo que los investigadores llaman una estrategia de «inversión del tiempo» para detectar los resultados. Todo ello capacita al cristal cuántico para detectar materia oscura.

Además de contribuir al estudio de la materia oscura, el cristal cuántico podría encontrar otras muchas aplicaciones, como la búsqueda de campos electromagnéticos perdidos en un laboratorio o la detección de defectos en un material, concluyen los investigadores.

Referencia

Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals. Kevin A. Gilmore et al. SCIENCE, 6 Aug 2021, Vol 373, Issue 6555, pp. 673-678. DOI: 10.1126/science.abi5226

Imagen superior: ilustración de un cristal cuántico. Steven Burrows/JILA

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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