Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han vinculado, o «entrelazado», el movimiento mecánico y las propiedades electrónicas de un diminuto cristal azul, lo que le da una ventaja cuántica en la medición de campos eléctricos con una sensibilidad récord que puede mejorar la comprensión de la 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 plano 2D de solo 200 millonésimas de metro de diámetro. Los sensores cuánticos como este tienen el potencial de detectar señales de la materia oscura, una sustancia misteriosa que podría resultar, entre otras teorías, partículas subatómicas que interactúan con la materia normal a través de un campo débil electromagnético. La presencia de materia oscura podría hacer que el cristal se mueva de manera reveladora, revelado por cambios colectivos entre los iones en el cristal en una de sus propiedades electrónicas, conocida como espín.

Como se describe en la edición del 6 de agosto de 2021 de Ciencia, 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) al monitorear los cambios en la rotación colectiva. La medida del giro indica la extensión de la excitación vibratoria, llamada desplazamiento.

Ilustración del cristal cuántico NIST. Crédito: Burrows / JILA

Este sensor puede medir campos eléctricos externos que tienen la misma frecuencia de vibración que el cristal con más de 10 veces la sensibilidad de cualquier sensor atómico previamente demostrado. (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 tal señal.

«Los cristales de iones podrían detectar ciertos tipos de materia oscura, por ejemplo, axiones y 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 que buscan este tipo de materia oscura se han realizado durante 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 ha estado trabajando con el cristal iónico durante más de una década. Lo nuevo es el uso de un tipo específico de luz láser para entrelazar el movimiento y los giros colectivos de un gran número de iones, así como lo que los investigadores denominan una estrategia de «inversión del tiempo» para detectar los resultados.

Ilustración del cristal cuántico NIST. Crédito: Burrows / JILA

El experimento se benefició de una colaboración con la teórica del NIST Ana Maria Rey, que trabaja en JILA, un instituto conjunto del NIST y la Universidad de Colorado Boulder. El trabajo teórico fue esencial para comprender las limitaciones de la configuración del laboratorio, ofreció un nuevo modelo para comprender el experimento que es válido para una gran cantidad de iones atrapados y demostró que la ventaja cuántica proviene del entrelazamiento de giro y movimiento, dijo Bollinger.

Rey señaló que el entrelazamiento es beneficioso para cancelar el ruido cuántico intrínseco de los iones. Sin embargo, es difícil medir el estado cuántico entrelazado sin destruir la información compartida entre el giro y el movimiento.

“Para evitar este problema, John puede invertir la dinámica y desenredar la rotación y el movimiento después de aplicar el desplazamiento”, dijo Rey. “Esta inversión de tiempo desacopla la rotación y el movimiento, y ahora la rotación colectiva en sí contiene la información de desplazamiento, y cuando medimos las rotaciones, podemos determinar el desplazamiento con mucha precisión.

Los investigadores utilizaron microondas para producir los valores deseados de los giros. Los iones pueden estar orientados hacia arriba (a menudo pensados ​​como una flecha que apunta hacia arriba), hacia abajo o en otros ángulos, incluidos ambos al mismo tiempo, un estado cuántico especial. En este experimento, todos los iones tenían el mismo giro, primero hacia arriba y luego horizontalmente, por lo que cuando se excitaban, giraban juntos en un patrón característico de las peonzas.

Se utilizaron rayos láser cruzados, con una diferencia de frecuencia casi igual al movimiento, para entrelazar la rotación colectiva con el movimiento. El cristal se excitó luego con el vibrador. Se utilizaron los mismos láseres y microondas para deshacer el enredo. Para determinar qué tan lejos se movió el cristal, los investigadores midieron el nivel de fluorescencia del giro de los iones (el giro hacia arriba dispersa la luz, el giro hacia abajo es oscuro).

En el futuro, se espera que el aumento del número de iones a 100.000 mediante la fabricación de cristales 3D aumente la capacidad de detección en un factor de treinta. Además, se podría mejorar la estabilidad del movimiento excitado del cristal, lo que mejoraría el proceso de inversión del tiempo y la precisión de los resultados.

“Si somos capaces de mejorar este aspecto, este experimento puede convertirse en un recurso fundamental para detectar la materia oscura”, dijo Rey. “Sabemos que el 85% de la materia del universo es materia oscura, pero hasta el día de hoy no sabemos qué es la materia oscura. Esta experiencia podría permitirnos en el futuro develar este misterio.

Los coautores incluyeron investigadores de la Universidad de Oklahoma. Este trabajo es apoyado en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias.

Referencia: «Detección cuántica mejorada de movimientos y campos eléctricos con cristales de iones atrapados bidimensionales» por KA Gilmore, M. Affolter, RJ Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey y JJ Bollinger., 5 de agosto , 2021, Ciencia.
DOI: 10.1126 / science.abi5226