양자 결정(crystal), 새로운 유형의 암흑 물질 검출기 역할 가능성

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-07 20:23:00
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* 2차원 양자 결정,가장 작은 기계적 및 전기적 진동에 반응
* 첫 번째 테스트에서 양자 결정은 여전히 ​​미터당 240나노볼트의 장 변동을 감지
* 결정에 얽힌 이온의 수가 10만으로 증가하면 양자 결정은 30배 더 약한 신호 감지 가능
* 이 실험은 암흑 물질 탐지를 위한 근본적인 방법이 될 수 있다.

암흑 물질 검출기로서의 양자 결정
얽힌 이온은 액시온 또는 어두운 광자의 존재를 나타낼 수 있다.

미묘한 진동:
연구원들은 새로운 유형의 검출기인 양자 결정으로 암흑 물질 입자를 추적하기를 바라고 있다. 이것은 150개의 베릴륨 이온이 나란히 놓여 있으며 양자 물리학에서 스핀이 서로 얽혀 있다. 이 2차원 양자 결정은 가장 작은 기계적 및 전기적 진동에 반응하므로 액시온, 암흑 광자 및 기타 암흑 물질 입자 후보의 효과를 나타낼 수 있다. 

▲ 양자 결정은 150개의 베릴륨 이온으로 구성돼 있으며 그 스핀들이 서로 얽혀 있다. 앙상블은 자체적으로 액시온이나 암흑 광자와 같은 암흑 물질 입자의 진동을 감지할 수 있다. © burrows / JILA

암흑 물질이 우리 우주를 형성하지만 그 본질은 아직 알려지지 않았다.
지금까지 이 신비롭고 보이지 않는 물질 형태의 입자를 추적하는 데 성공한 기기나 탐지기는 없다. 물리학자는 입자의 유형에 대해서만 추측할 수 있다. 후보에는 무거운 "약하게 상호작용하는 거대 입자"(WIMP)뿐만 아니라 멸균 중성미자, 액시온 또는 암흑 보존과 같은 더 가벼운 입자도 포함된다.

암흑 물질 입자는 어떻게 찾을까?

암흑 물질은 거의 독점적으로 중력을 통해 정상 물질과 상호 작용하기 때문에 감지하기 어렵다. 그러나 그 뒤에 액시온이나 암흑 보존이 있는 경우 또 다른 가능성이 열린다. 이 입자가 강한 전자기장을 통과할 때 일부는 광자로 변환된다. 이론에 따르면. 그런 다음 수 킬로헤르츠에서 수 기가헤르츠 범위의 필드 진동에 의해 그들의 존재가 감지돼야 한다.

사실, 정확하게 이러한 진동을 찾는 최초의 감지기가 이미 있다.
예를 들어 일종의 무선 장치와 마찬가지로 ADMX 검출기는 초전도 미세 공진기의 도움으로 유망한 주파수를 스캔한다. 그러나 문제는 진동이 너무 약하고 작아서 양자 잡음에 쉽게 빠져들 수 있다는 점이다. HAYSTAC 감지기와 같은 일부 접근 방식은 소위 "squeezing"을 사용하여 이를 줄이려고 한다.

진동 센서로서의 얽힌 이온

또 다른 해결책이 있다.
미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 케빈 글리모어(Kevin Gilmore)가 이끄는 팀이 잠재적인 액시온 또는 암흑 보존자를 탐지하는 또 다른 접근 방식을 개발했다. 탐지기의 핵심은 150개의 얽힌 베릴륨 이온으로 구성된 구조인 양자 결정이다. 특수 진공 마그네틱 트랩에서 이온이 나란히 배열되어 작은 2차원 멤브레인과 유사한 200마이크로미터의 영역을 형성한다.

마이크로파의 도움으로 이러한 이온의 스핀은 모두 정렬된다.
작은 나침반 바늘처럼 자체 각운동량의 축이 모두 같은 방향을 가리킨다. 스핀은 전기장과 그 진동에 민감하게 반응하기 때문에 이러한 앙상블은 감지기로 적합하다. 그러나 하이라이트는 이러한 유형의 초기 검출기와 달리 연구원들이 이온을 얽혔다는 것이다. 교차 레이저 빔을 사용해 그들은 집단적으로 반응하는 방식으로 스핀을 결합했다. 따라서 이온 결정은 양자 결정이 된다.

이전 접근 방식보다 300배 더 민감

이 얽힘은 생성된 양자 결정을 암흑 물질 입자의 가능한 신호에 더 민감하게 만들지만 양자 노이즈에는 덜 민감하다. Gilmore와 그의 팀이 보고한 바와 같이 첫 번째 테스트에서 양자 결정은 여전히 ​​미터당 240나노볼트의 장 변동을 감지할 수 있었다. 이는 진동에 의한 스핀에 으로 레이저 산란으로 측정할 수 있었다.

연구자들은 "이것은 트랩된 이온이 있는 고전적인 프로토콜에 비해 300배 개선되고 리드버그 원자를 기반으로 하는 전위계보다 10배 더 우수하다"고 기술했다. "이러한 감도로 이러한 양자 결정은 10kHz에서 10MHz 범위의 어두운 광자와 액시온의 진동을 표시할 수 있다.”

더 많은 이온을 사용하면 더욱 좋다.
물리학자 팀은 개선의 여지가 있다고 보고 있다.
결정에 얽힌 이온의 수가 10만으로 증가하면 양자 결정은 현재보다 30배 더 약한 신호를 감지할 수 있다고 Gilmore와 그의 동료들은 설명했다. 더 안정적이고 오래 지속되는 얽힘은 이러한 감지기를 훨씬 더 민감하게 만들 수도 있다.

공동 저자인 콜로라도 대학 볼더(Boulder)의 아나 마리아 레이(Ana Maria Rey)는 “이 측면을 개선한다면 이 실험은 암흑 물질 탐지를 위한 근본적인 방법이 될 수 있다”고 말했다. "이 실험은 마침내 우리가 암흑 물질 입자의 비밀을 밝힐 수 있게 해 줄 것이다."
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abi5226)
출처: National Institute of Standards and Technology (NIST)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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