Атомні годинники допоможуть у пошуку темної матерії
Якщо темна матерія існує — ми на крок ближче до її виявлення.
У пошуках темної матерії — таємничої невидимої субстанції, яка становить понад 80% матерії в нашому Всесвіті — вчені та інженери звертаються до нового надчутливого інструменту — оптичного атомного годинника.
Ці годинники, які вимірюють час за допомогою надстабільного лазера для моніторингу резонансної частоти атомів, тепер достатньо точні. Стабільність дозволяє їм діяти як надзвичайно чутливі квантові датчики, які можна використовувати в космосі для пошуку темної матерії .
Вчені, які працюють над спільним проектом Міністерства енергетики та Міністерства оборони США, прагнуть мініатюризувати ці елементи до розміру взуттєвої коробки. Після більш ніж двох років роботи дослідники з Національної лабораторії прискорювачів імені Фермі Міністерства енергетики та Лабораторії Лінкольна Массачусетського технологічного інституту повідомили про перші багатообіцяючі результати.
Дослідники Fermilab спроектували та розробили компактну електроніку, необхідну для контролю напруги всередині пристрою, тоді як дослідники MIT LL розробляють крихітні йонні пастки, необхідні для створення годинника. Чіп, розроблений командою Fermilab, зараз тестується в MIT LL.
«Це перший крок до створення високоточного атомного годинника з невеликою площею», — сказала директор відділу мікроелектроніки Fermilab Фара Фахім, яка керує проектом лабораторії.
Оптичний атомний годинник MIT LL використовує йонну пастку як датчик — у цьому випадку йон стронцію утримується електричним полем. Лазер діє як осцилятор годинника, вимірюючи частоту коливань переходу йона між двома квантованими рівнями енергії.
Такого роду компактний атомний годинник може бути ідеальним для пошуку темної матерії в космосі, яка може викликати коливання маси електронів. Якби кілька атомних годинників подорожували крізь згусток темної матерії в космосі, темна матерія могла б збільшити або зменшити енергію фотона , виміряну кожним годинником, змінюючи його «цокання». Годинники десинхронізуються, коли темна матерія проходить, а потім знову синхронізуються.
Дослідники провели ці експерименти із супутниками GPS , кожен з яких містить кілька атомних годинників на основі різних технологій. Але в цих експериментах вони не знайшли доказів існування темної матерії. Можливо, вважають дослідники, темну матерію можна буде виявити за допомогою більш чутливого годинника.
За фінансування Міністерства оборони дослідники Массачусетського технологічного інституту LL мініатюризували атомний годинник із захопленими йонами, об’єднавши лазерну доставку та виявлення в одному чіпі. Але для завершення системи дослідникам Массачусетського технологічного інституту знадобилося більше, ніж просто мініатюрні атомні та фотонні компоненти. Їм потрібна була допомога в розробці мініатюрної електронної системи керування.
Складність полягає в тому, щоб створити невелику мікросхему, яка може контролювати високі напруги, необхідні для системи — принаймні 20 вольт — зберігаючи при цьому високу швидкість і низьку потужність. Співпрацюючи з виробником напівпровідників, команда Fermilab нещодавно створила чіп, який може контролювати до дев’яти вольтів.
Дослідники Массачусетського технологічного інституту тепер намагаються об’єднати чіп із йонною пасткою за допомогою техніки, яка дозволяє їм складати два чіпи один на одного та з’єднувати їх через отвори або електричні з’єднання між шарами. Потім дослідники Fermilab продовжать вдосконалювати конструкцію електроніки, щоб збільшити напругу до 20 вольт.
Атомні годинники можуть використовуватися як надзвичайно чутливі датчики, що передбачають цунамі чи землетруси. Також йонні пастки можуть стати основою для майбутніх квантових комп’ютерів.
