Illustrazione del sensore quantistico Nist fatto di ioni di berillio intrappolati (punti rossi) auto-organizzati in un cristallo 2D. Crediti: S. Burrows/Jila
Un gruppo di fisici statunitensi, guidati dal National Institute of Standards and Technology (Nist), ha sviluppato un particolare prototipo di sensore quantistico che potrebbe funzionare come rivelatore di materia oscura. L’esperimento è stato recentemente descritto sulle pagine di Science.
Il sensore quantistico è costituito da 150 ioni di berillio (atomi di berillio elettricamente carichi) confinati in un campo magnetico che li dispone in un cristallo piatto di appena 200 milionesimi di metro di diametro. Le proprietà di movimento ed elettroniche degli ioni sono correlate in maniera quantistica, il che fornisce a questo minuscolo cristallo blu la capacità di misurare campi elettrici con una sensibilità record.
Fra le svariate applicazione pratiche, un dispositivo come questo ha il potenziale di rilevare segnali di materia oscura, la misteriosa sostanza che dovrebbe costituire la maggior parte della materia nell’universo. Sfuggita finora a qualunque tipo di rilevazione, alcune teorie ipotizzano la materia oscura costituita da particelle subatomiche che interagiscono con la materia normale attraverso un debolissimo campo elettromagnetico.
Ecco dunque, sostengono gli autori del nuovo studio, che la presenza di materia oscura potrebbe far oscillare il cristallo in modi peculiari, rivelati dai cambiamenti collettivi tra gli ioni del cristallo in una delle loro proprietà elettroniche che concorrono a definirne lo stato quantico, proprietà nota come spin.
I fisici del Nist John Bollinger (a sinistra) e Matt Affolter regolano il laser e l’array ottico utilizzati per intrappolare e sondare gli ioni di berillio nella camera magnetica (colonna bianca a sinistra). Crediti: R. Jacobson/Nist
Per rendere l’idea, spiegano i ricercatori, l’interazione con la materia oscura farebbe vibrare il piano del cristallo quantistico come la pelle di un tamburo. Vibrazione che può essere misurata dal nuovo esperimento con una sensibilità dieci volte maggiore rispetto a ogni altro sensore atomico effettivamente funzionante.
«I cristalli di ioni hanno la potenzialità di rilevare alcuni tipi di materia oscura – ad esempio assioni e fotoni nascosti – che interagiscono con la materia normale attraverso un debole campo elettrico», commenta uno degli autori, John Bollinger del Nist. «La materia oscura forma un segnale di fondo con una frequenza di oscillazione che dipende dalla massa della particella di materia oscura. Gli esperimenti alla ricerca di questo tipo di materia oscura sono in corso da più di un decennio con circuiti superconduttori. Il movimento degli ioni intrappolati fornisce sensibilità su una diversa gamma di frequenze».
Il gruppo di Bollinger ha lavorato con il cristallo ionico per più di un decennio. La novità del nuovo studio è rappresentata dall’uso di un tipo specifico di luce laser per realizzare la correlazione quantistica del movimento e dello spin collettivo di un gran numero di ioni, oltre a quella che i ricercatori chiamano una strategia di “inversione del tempo” per rilevare i risultati. In futuro, si prevede che l’aumento del numero di ioni fino a 100mila, creando cristalli 3D, migliorerà di trenta volte la capacità di rilevamento.
Per saperne di più:
- Su Science l’articolo “Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals”, di A. Gilmore, M. Affolter, R.J. Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, A.M. Rey e J.J. Bollinger.
Un video del Nist (in inglese) sul sensore quantistico a ioni intrappolati: