Крошечное кольцо из сверхпроводника, охлаждённое почти до абсолютного нуля, может почувствовать прикосновение частицы, которая в миллиарды раз легче электрона. Речь об аксионе — гипотетической частице, которая, возможно, составляет тёмную материю, заполняющую Вселенную. Если аксионы существуют, они должны слабо взаимодействовать со светом, и это взаимодействие можно превратить в измеримый электрический сигнал.

В новом исследовании физики показали, что аксион, проходя сквозь сверхпроводящее кольцо, создаёт крошечный магнитный поток. В кольце есть слабое место — тонкий изолирующий слой, через который туннелируют электронные пары. Этот эффект называется эффектом Джозефсона, и он крайне чувствителен к магнитному потоку: даже один квант потока меняет фазу квантовой волны на 2π. Аксионный фон, осциллирующий во времени, заставляет этот поток дрожать, и на выходе возникает переменное напряжение. Такой «квантовый компас» может заметить аксион-фотонное взаимодействие в 10–100 раз слабее, чем видят сегодняшние установки, для аксиона с массой около 10⁻¹⁰ эВ.

Другой предложенный эксперимент использует интерферометр Маха-Цендера — устройство, где луч света расщепляется на два пути, а затем снова сводится. Если на один из путей действует медленно вращающееся магнитное поле, то у света возникает геометрическая фаза (фаза Берри), зависящая от того, есть ли рядом аксионы. Такой подход позволяет искать аксионы даже если они не составляют тёмную материю, хотя чувствительность пока ниже. Наконец, в более сложной системе из фотонов и аксионоподобных квазичастиц в топологическом магнитном изоляторе возникает терагерцовая фаза Берри, которую можно измерить — это станет проверкой всей схемы.

Так квантовые фазы становятся новым инструментом охоты за тёмной материей. Сверхпроводящие цепи уже есть в лабораториях, а квантовая интерферометрия развивается стремительно. Возможно, первая встреча с аксионом произойдёт не в гигантском детекторе, а в маленьком кольце, где фаза волны тихо сдвинется на неуловимую долю.