Zhou Jingwei, Rong Xing y sus colegas del Laboratorio de Resonancia Magnética de Espín de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han propuesto una arquitectura escalable para la búsqueda de materia oscura basada en sistemas de cúbits superconductores y han completado con éxito la verificación experimental de su principio en un chip cuántico superconductor de múltiples cúbits. La investigación, titulada «Arquitectura escalable para la búsqueda de fotones oscuros: prueba de principio con cúbits superconductores», se publicó en Physical Review Letters el 29 de octubre.
Las observaciones astronómicas y cosmológicas modernas indican que la materia oscura representa aproximadamente el 25 % de la masa total del universo. En los últimos años, la materia oscura bosónica ultraligera, representada por axiones y fotones oscuros, se ha convertido en una candidata muy prometedora para la materia oscura. Las predicciones teóricas sugieren que el rango de masa de la materia oscura ultraligera se sitúa entre 1 y 100 μeV, y que interactúa con la materia ordinaria únicamente mediante interacciones extremadamente débiles. Se han llevado a cabo numerosos estudios experimentales a nivel internacional en busca de materia oscura ultraligera, pero persiste el desafío técnico de equilibrar el rango de medición y la sensibilidad de detección: los detectores resonantes ofrecen una alta sensibilidad, pero tienen un ancho de banda de detección limitado, mientras que los detectores no resonantes, aunque cubren un amplio rango, adolecen de una sensibilidad insuficiente.
Para abordar este desafío, el equipo de investigación propuso una arquitectura experimental para la búsqueda directa de materia oscura ultraligera mediante cúbits superconductores: utilizando técnicas de fabricación micro-nano, se integran múltiples cúbits superconductores con frecuencia sintonizable en un solo chip para formar una arquitectura escalable de búsqueda de materia oscura. Esta arquitectura permite la detección simultánea de alta sensibilidad de materia oscura en múltiples regiones de energía (Figura a), lo que podría resolver el problema de equilibrar el rango de medición y la sensibilidad. El equipo de investigación diseñó y fabricó un chip cuántico superconductor de tres cúbits capaz de buscar simultáneamente fotones oscuros en tres regiones de energía: 15,632–15,638 µeV, 15,838–15,845 µeV y 16,463–16,468 µeV. Además, proporcionaron los límites más estrictos de acoplamiento fotón-fotón oscuro dentro de estos rangos, logrando una mejora de uno a dos órdenes de magnitud en comparación con los límites anteriores basados en observaciones astronómicas (Figura b). Este trabajo demuestra las perspectivas de aplicación de los cúbits superconductores en la física de partículas y sienta las bases para la futura detección de materia oscura con un rango de masas más amplio y una mayor precisión.
Figura: (a) Límites esperados de la arquitectura de búsqueda de materia oscura escalable; (b) Límites dados por experimentos de prueba de concepto.
El estudiante de doctorado Kang Runqi y el estudiante de maestría Hu Qingqin son coautores principales, y el ingeniero sénior Zhou Jingwei y el profesor Rong Xing son coautores de correspondencia. Los doctores Cai Xiao y Yu Wenlong del Laboratorio de Suzhou participaron en el diseño y la fabricación del chip. Esta investigación fue financiada por proyectos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Ministerio de Ciencia y Tecnología.
Enlace al artículo: https://link.aps.org/doi/10.1103/9p1t-vc9j
Universidad de Ciencia y Tecnología de China News. Traducido al español
