Αξιοποιώντας μια «ιδιαιτερότητα/ παραξενιά» της κβαντομηχανικής, ερευνητές ήταν σε θέση να δημιουργήσουν έναν κρύσταλλο βηρυλλίου ικανό να αντιμετωπίζει απίστευτα αδύναμα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Αυτό θα μπορούσε κάποια στιγμή να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό υποθετικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης, των αξιονίων.
Οι επιστήμονες δημιούργησαν τον κρύσταλλο «παγιδεύοντας» 150 φορτισμένα σωματίδια βηρυλίου ή ιόντα χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ηλεκτροδίων και μαγνητικών πεδίων που βοήθησε στο να ξεπεραστεί η φυσική τους αλληλοαπώθηση, είπε στο Live Science η Άννα Μαρία Ρέι, ατομική φυσικός στο JILA (κοινό ινστιτούτου μεταξύ του National Institute of Standards and Technology και το University of Colorado Boulder).
Όταν η Ρέι και οι συνάδελφοί της παγίδευσαν τα ιόντα με το σύστημά τους, τα άτομα μπήκαν μόνα τους σε διάταξη ενός επίπεδου φύλλου πάχους διπλάσιου από μια ανθρώπινη τρίχα. Αυτή η «κολεκτίβα» παρέπεμπε σε κρύσταλλο, ο οποίος δονείται όταν διαταράσσεται από κάποια εξωτερική δύναμη.
«Όταν διεγείρεις τα άτομα, δεν κινούνται μεμονωμένα» είπε η Ρέι. «Κινούνται συνολικά».
Όταν αυτός ο «κρύσταλλος» βηρυλλίου συνάντησε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κινήθηκε ως αντίδραση, και αυτή η κίνηση θα μπορούσε να «μεταφραστεί» ως μέτρηση της δύναμης του πεδίου. Ωστόσο οι μετρήσεις οποιουδήποτε κβαντικού μηχανικού συστήματος υπόκεινται σε όρια που τίθενται από την αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ, που δηλώνει ότι συγκεκριμένες ιδιότητες ενός σωματιδίου, όπως η θέση και το momentum του, δεν μπορούν να είναι γνωστές ταυτόχρονα με υψηλή ακρίβεια.
Η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να «παρακάμψει» αυτό το όριο μέσω της διεμπλοκής, όπου οι ιδιότητες των κβαντικών σωματιδίων συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους. «Χρησιμοποιώντας τη διεμπλοκή, μπορούμε να αντιληφθούμε πράγματα που δεν είναι δυνατά διαφορετικά».
Σε αυτή την περίπτωση η ίδια και οι συνάδελφοί της ενέπλεξαν τις κινήσεις των ιόντων βηρυλλίου με τα σπιν τους. Τα κβαντικά συστήματα μοιάζουν με μικροσκοπικές κορυφές και το σπιν περιγράφει την κατεύθυνση προς την οποία «δείχνουν» οι κορυφές αυτές.
Όταν οι κρύσταλλος δονείται, τότε κινείται κατά μια συγκεκριμένη ποσότητα. Αλλά λόγω της αρχής της απροσδιοριστίας (ή αβεβαιότητας), οποιαδήποτε μέτρηση αυτού του εκτοπισμού, ή της κίνησης των ιόντων, θα υπόκειται σε όρια ακριβείας και θα περιλαμβάνει πολύ κβαντικό «θόρυβο» είπε η Ρέι.
Για τη μέτρηση του εκτοπισμού, «χρειαζόμαστε έναν εκτοπισμό μεγαλύτερο από τον κβαντικό θόρυβο» είπε.
Η διεμπλοκή μεταξύ των κινήσεων των ιόντων και των σπιν τους εξαπλώνει αυτόν τον «θόρυβο», μειώνοντάς τον και επιτρέποντας στον ερευνητή να μετρήσει εξαιρετικά μικρές διακυμάνσεις στον κρύσταλλο. Το σύστημα αυτό δοκιμάστηκε μέσω της αποστολής ενός αδύναμου ηλεκτρομαγνητικού κύματος και της παρατήρησης της δόνησής του.
Ο κρύσταλλος είναι ήδη 10 φορές πιο ευαίσθητος ως προς τον εντοπισμό ηλεκτρομαγνητικών σημάτων από ό,τι προηγούμενοι κβαντικοί αισθητήρες. Ωστόσο η ομάδα θεωρεί πως, με περισσότερα ιόντα βηρυλλίου, θα δημιουργούσαν έναν ακόμα πιο ευαίσθητο αισθητήρα, ικανό για τον εντοπισμό αξιονίων.