數十年的天體物理學觀測表明，宇宙中的質量，其實遠超過我們所能看到的，於是科學家們提出了暗物質佔主導的理論。 遺憾的是，我們迄今未能找性質特殊的暗物質的切實線索。 好消息是，美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家們，剛剛開發出了一種基於二維量子晶體的新式感測器，或有助於我們找到假設的某些暗物質粒子。

（圖自：S. Burrows / JILA）

暗物質理論稱，其不會以任何方式反射、折射、或與光相互作用，僅通過其強大的引力來影響常規物質。

而NIST物理學家開發的二維量子晶體感測器，則由具有相同”向上”自旋狀態的鈹離子（紅色）組成。

在太空中，與暗物質有關的觀測證據在不斷增加，但很難直接被檢測到。 此前科學家們已經不斷提出過各種概念和實驗嘗試，以期捕捉到潛在可能經過的暗物質粒子與觀測器發生碰撞。

針對不同的候選粒子，研究人員也配備了不同特性的檢測方法。 比如利用裝滿液體的巨大地下儲罐，或者針對一個微小鐘擺的引力影響。

New Atlas指出，在諸多主要候選者中，有一種被稱作軸子（axion）的假想粒子。 模型表明其具有中性的電荷，幾乎沒有品質、隨波逐流、且電磁影響很微弱。

此前，實驗室已利用過「軸子電波」 （axion radios）、空腔中的量子比特、或甜甜圈形狀的磁鐵來尋找這種相互作用。

John Bollinger 與 Matt Affolter 在調節激光陣列（圖自：NIST）

現在，NIST 團隊已經開發出了一套新型軸子感測器，它由被困在磁場中的 150 個鈹離子組成，迫使其排列形成了一個只有 200 微米后的平面。

當暴露於電場中時，原子平面會像鼓一樣上下移動 —— 若它們在與任何外部電場隔離的情況下發生了運動，就意味著有軸子（或其它形式的暗物質粒子）通過。

NIST 團隊聲稱，這套裝置的靈敏度是其它類似實驗裝置的十倍，能夠在一秒內檢測到每米 240 納伏的電場。 ，使之能夠在更廣泛的頻譜範圍內發現軸子。

這種額外的敏感性，得益於量子物理學的獨特特性。 因為軸子對離子的任何位移都非常小且難以測量，所以研究人員決定藉助量子糾纏來放大信號。

具體說來是，NITST 團隊選用了縱橫交錯的鐳射束來照射離子，使之表現出”自旋”的電子特性。

由於所有離子都”向上”旋轉，因此當它們的集體自旋發生任何變化的時候，都可揭示由軸子引發的任何運動位移。

更棒的是，測量它們的自旋相對容易 —— 若離子處於想像自旋的狀態，晶體就會發出螢光;若處於向下自旋的狀態，則會保持幽暗。

展望未來，研究人員希望打造包含10萬個離子的3D晶體，以將探測器的靈敏度提升30倍。

感興趣的朋友，可翻閱近日發表於《科學》（Science）雜誌上的《Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals》一文。