Найден способ обнаружить темную материю
Квантовая запутанность — феномен, описанный Альбертом Эйнштейном. Процесс примечателен тем, что две или более частиц становятся связанными, и любое действие, совершаемое с одной из них, мгновенно влияет на другие частицы, независимо от того, насколько они удалены друг от друга. Запутанность лежит в основе многих новых технологий, таких как квантовые вычисления и криптография.
Запутанные состояния известны своей хрупкостью — связи могут быть легко нарушены малейшей внутренней вибрацией или помехами извне. Поэтому для проведения экспериментов ученым необходимы низкие температуры: чем ниже температура, тем меньше вероятность того, что атомы столкнутся друг с другом и нарушат когерентность. В новом исследовании ученые из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне (Испания) применили противоположный подход, нагревая атомы. Их интересовало, может ли запутывание сохраниться в горячей и хаотичной среде.
Исследователи нагревали небольшую стеклянную трубку, наполненную рубидием и инертным газом — азотом, до 177 градусов по Цельсию. При этой температуре горячее облако атомов рубидия приходит в состоянии хаоса, в котором каждую секунду происходят тысячи атомных столкновений. Подобно бильярдным шарам, атомы отскакивают, сообщая друг другу свою энергию и вращение.
Во многих отношениях вращение частицы аналогично вращению планеты, обладающей как угловым моментом, так и магнитным полем — магнитным моментом. Но в мире квантовой механики классические аналогии рушатся. Само понятие, что частицы, такие как протоны или электроны, являются вращающимися твердыми объектами, никак не соответствует квантовому мировоззрению. И когда ученые пытаются измерить вращение частицы, они получают один из двух ответов: вверх или вниз. В квантовой механике нет промежуточных значений.
Но магнитные поля, создаваемые вращением частицы, позволяют ученым измерять вращение множеством уникальных способов. Один из них включает в себя поляризованный свет или электромагнитные волны.
Исследователи направили луч поляризованного света на трубу с атомами рубидия. Спины атомов действуют как крошечные магниты и свет, проходя через газ, взаимодействует с его магнитным полем. Это легкое атомное взаимодействие создает крупномасштабную запутанность между атомами и газом. Когда исследователи измеряли вращение световых волн, которые выходили с другой стороны стеклянной трубки, они могли определить общее вращение газа атомов, которое переносит запутанность на атомы и оставляет их в запутанном состоянии.
Фактически, «горячая и грязная» среда внутри стеклянной трубки была ключом к успеху эксперимента. Атомы находились в макроскопическом спиновом синглетном состоянии, передавая свое запутывание друг другу посредством столкновений, меняя вращение, но сохраняя общий спин на нуле, и позволяя состоянию коллективного запутывания сохраняться в течение, по крайней мере, миллисекунды. Например, частица «A» запутывается с частицей «B», но когда частица «B» сталкивается с частицей «C», она связывает себя и частицу «А» с частицей «C» и так далее.
Это «означает, что 1000 раз в секунду запутывается новая партия из 15 триллионов атомов», — говорят ученые. За одну миллисекунду успесает произойти около 50 случайных столкновений. Это доказывает, что запутанность не разрушается случайными событиями. Вот в чем состоит удивительный результат проделанной работы.
Также открытие позволит разработать сверхчувствительные детекторы магнитного поля, способные измерять магнитные поля более чем в 10 миллиардов раз слабее, чем магнитное поле Земли. А значит есть шанс обнаружить и темную материю.