Kürzlich gelang Wissenschaftlern verschiedener Institutionen, darunter der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, ein grundlegender Durchbruch bei der präzisen Messung von Kernspins. Sie entwickelten das erste städteübergreifende Quantensensornetzwerk auf Basis von Kernspins, das experimentell die axionelle topologische Defekt-Dunkle Materie enthält und die astrophysikalischen Grenzen übertrifft.
Dunkle Materie im Fokus
Aktuelle Studien zeigen, dass gewöhnliche sichtbare Materie nur etwa 4,9 Prozent des Universums ausmacht, während Dunkle Materie etwa 26,8 Prozent ausmacht. Axionen gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für dunkle Materie, und Axionfelder können während Phasenübergängen im frühen Universum topologische Defekte bilden. Wenn die Erde topologische Defekte durchquert, wird erwartet, dass diese Defekte mit Kernspins interagieren und Signale induzieren. Die Detektion bleibt jedoch eine große Herausforderung, da die Signale extrem schwach und von kurzer Dauer sind.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Forschungsteam eine innovative Methode zur präzisen Messung von Kernspins, bei der die durch Axionen induzierten Signale im Mikrosekundenbereich in einem langlebigen kohärenten Zustand der Kernspins „gespeichert” werden, wodurch ein Auslesesignal im Minutenbereich ermöglicht wird. Gleichzeitig nutzte das Team den Kernspin als Quanten-Spin-Verstärkung, um das schwache Signal der Dunklen Materie um mindestens das 100-fache zu verstärken und die Empfindlichkeit der Spinrotation auf etwa 1 μrad zu erhöhen, was einer Verbesserung um mehr als vier Größenordnungen gegenüber früheren Techniken entspricht.
Fünf Kernspin-Sensoren bilden ein 320‑km‑Netzwerk zur Signaldetektion
Darüber hinaus schufen die Forscher das erste interurbane Quantensensornetzwerk auf Basis von Kernspins, um Signale dunkler Materie zu unterscheiden. Das Netzwerk besteht aus fünf Kernspin-Quantensensoren, die geografisch über Hefei und Hangzhou verteilt sind und einen Basisabstand von etwa 320 km haben. Sie werden mithilfe der Zeitangaben des Global Positioning System (GPS) synchronisiert.
Obwohl während der zweimonatigen Beobachtungszeit kein statistisch signifikantes Ereignis mit topologischen Defekten aufgezeichnet wurde, legte das Team die strengsten Beschränkungen für die Axion-Nukleon-Kopplung über einen Axion-Massenbereich von 10 peV bis 0,2 μeV fest und erreichte 4,1 × 1010 GeV bei 84 peV.
Quantensensorik übertrifft astrophysikalische Grenzen
Als erstes Laborexperiment, das die astrophysikalischen Beschränkungen für axionische topologische Defekte in der Dunklen Materie übertrifft, eröffnet die Studie die Möglichkeit, bisher unerforschte Parameterräume zu untersuchen. An der Schnittstelle zwischen Quantenpräzisionsmessung und Grundlagenphysik bietet dieser Durchbruch nicht nur einen neuen Weg zur Erforschung topologischer Defekte in der Dunklen Materie, sondern auch eine neue Richtung für die Suche nach weit über das Standardmodell hinausgehenden physikalischen Phänomenen wie Axionsternen und Axionsträngen.
Das Team plant, die Empfindlichkeit in Zukunft um weitere vier Größenordnungen zu steigern, indem es ein globales Netzwerk aufbaut, den Einsatz auf den Weltraum ausweitet und Technologien der nächsten Generation entwickelt.
