Знайдено спосіб виявити темну матерію

Встановлено новий рекорд - 15 трильйонів атомів були з'єднані в дивне явище, зване квантовою заплутаністю. Відкриття може призвести до прориву в створенні більш точних датчиків для виявлення пульсацій у просторі-часі, званих гравітаційними хвилями, або навіть невловимої темної матерії, яка, як вважається, пронизує весь Всесвіт.

Квантова заплутаність - феномен, описаний Альбертом Ейнштейном. Процес примітний тим, що дві або більше частинок стають пов'язаними, і будь-яка дія, що здійснюється з однією з них, миттєво впливає на інші частинки, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного. Заплутаність лежить в основі багатьох нових технологій, таких як квантові обчислення і криптографія.

Заплутані статки відомі своєю крихкістю - зв'язки можуть бути легко порушені найменшою внутрішньою вібрацією або перешкодами ззовні. Тому для проведення експериментів вченим необхідні низькі температури: чим нижче температура, тим менше ймовірність того, що атоми зіткнуться один з одним і порушать когерентність. У новому дослідженні вчені з Інституту фотонних наук (ICFO) в Барселоні (Іспанія) застосували протилежний підхід, нагріваючи атоми. Їх цікавило, чи може заплутування зберегтися в гарячому і хаотичному середовищі.

Дослідники нагрівали невелику скляну трубку, наповнену рубідієм і інертним газом - азотом, до 177 градусів за Цельсієм. При цій температурі гаряча хмара атомів рубідію приходить у стані хаосу, в якому кожну секунду відбуваються тисячі атомних зіткнень. Подібно до більярдних куль, атоми відскакують, повідомляючи один одному свою енергію і обертання.

У багатьох відношеннях обертання частинки аналогічно обертанню планети, що володіє як кутовим моментом, так і магнітним полем - магнітним моментом. Але у світі квантової механіки класичні аналогії руйнуються. Саме поняття, що частинки, такі як протони або електрони, є обертовими твердими об'єктами, ніяк не відповідає квантовому світогляду. І коли вчені намагаються виміряти обертання частинки, вони отримують одну з двох відповідей: вгору або вниз. У квантовій механіці немає проміжних значень.

Але магнітні поля, створені обертанням частинки, дозволяють вченим вимірювати обертання безліччю унікальних способів. Один з них включає поляризоване світло або електромагнітні хвилі.

Дослідники направили промінь поляризованого світла на трубу з атомами рубідію. Спини атомів діють як крихітні магніти і світло, проходячи через газ, взаємодіє з його магнітним полем. Ця легка атомна взаємодія створює великомасштабну заплутаність між атомами і газом. Коли дослідники вимірювали обертання світлових хвиль, які виходили з іншого боку скляної трубки, вони могли визначити загальне обертання газу атомів, яке переносить заплутаність на атоми і залишає їх у заплутаному стані.

Фактично, «гаряче і брудне» середовище всередині скляної трубки було ключем до успіху експерименту. Атоми перебували в макроскопічному спиновому синглетному стані, передаючи своє заплутування один одному за допомогою зіткнень, змінюючи обертання, але зберігаючи загальний спин на нулі, і дозволяючи стану колективного заплутування зберігатися протягом, принаймні, мілісекунди. Наприклад, частинка «A» заплутується з часткою «B», але коли частинка «B» стикається з частинкою «C», вона пов'язує себе і частинку «А» з часткою «C» і так далі.

Це «означає, що 1000 разів на секунду заплутується нова партія з 15 трильйонів атомів», - кажуть вчені. За одну мілісекунду встигає статися близько 50 випадкових зіткнень. Це доводить, що заплутаність не руйнується випадковими подіями. Ось у чому полягає дивовижний результат виконаної роботи.

Також відкриття дозволить розробити надчутливі детектори магнітного поля, здатні вимірювати магнітні поля більш ніж в 10 мільярдів разів слабкіше, ніж магнітне поле Землі. А значить є шанс виявити і темну матерію.