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暗物质应该就在我们周围 ， 但令人沮丧的是 ， 暗物质实在是难以捉摸 。 现在 ， 美国国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家们开发了一种新的传感器 ， 利用二维量子晶体 ， 可以帮助我们探测某些假想的暗物质粒子 。
上图：量子晶体的图解 ， 由具有相同“向上”自旋态的铍离子(红色)组成 。
几十年的天体物理观测表明 ， 宇宙中的质量比我们所能看到的要多得多 。 这也使得科学家们提出了一种假说 ， 即宇宙是由一种我们称之为暗物质的奇怪物质所主导的 ， 这种物质不会以任何方式反射、折射或与光相互作用 ， 只会通过其强大的引力影响普通物质 。
在太空中 ， 这种物质的观测证据不断增加 ， 但还是很难直接探测到 。 这并不是因为缺少尝试 ， 有许多的科学家在不断地提出或进行实验 ， 旨在根据不同的属性检测不同的候选粒子 ， 这些粒子可能具有也可能没有 。 许多实验室还使用了巨大的地下储罐 ， 里面装满了液体 ， 可以探测到经过的暗物质粒子的碰撞 ， 而其他实验室则在寻找它们对微小摆锤的引力影响 。
其中 ， 主要候选者之一是一种称为轴子的假想粒子 。模型表明 ， 轴子具有中性电荷 ， 几乎没有质量 ， 以波的形式四处漂移 ， 最重要的是对电磁学的影响很小 。实验已经使用“轴子无线电”、空腔中的量子位或甜甜圈形磁铁来寻找这种相互作用 。
上图：NIST物理学家John Bollinger(左)和Matt Affolter(右)用光学系统捕获和研究铍离子 。
现在 ， NIST 团队开发了一种新型轴子传感器 。它由被困在磁场中的 150 个铍离子组成 ， 这迫使它们将自己排列成一个只有 200 微米厚的平面 。当暴露在电场中时 ， 原子平面会像鼓一样上下移动 —— 所以 ， 如果它们与任何外部电场保持隔离 ， 发现这种运动可能表明轴子或其他暗物质粒子已经穿过 。
该团队表示 ， 该传感器的灵敏度将是其他类似实验的10倍 ， 能够在一秒内检测到每米240纳伏特的电场 。 这可以帮助它在更广的频率范围内找到轴子 。
这种额外的敏感性来自于量子物理学的诡异世界 。 任何轴子在离子上的位移都非常小 ， 很难测量 ， 所以研究人员使用量子纠缠来放大信号 。
该团队用纵横交错的激光束照射离子 ， 这导致离子的运动与称为“自旋”的电子特性密不可分 。所有离子都“向上”旋转 ， 因此它们集体自旋的任何变化都可以揭示出它们运动的任何位移 ， 这是由轴子引起的 。方便的是 ， 测量它们的自旋相对容易 —— 如果离子处于向上旋转状态 ， 晶体会发出荧光 ， 但如果它们处于向下旋转状态 ， 晶体则会保持黑暗 。
这种量子晶体的荧光可以揭示轴子是否已经穿过仪器 。
研究人员表示 ， 通过制造包含100000个离子的3D晶体 ， 未来的工作可以将探测器的灵敏度提高 30 倍 。如果这个实验能加入到寻找暗物质的行列中来 ， 它可能有助于解开最持久的宇宙奥秘之一 。
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