暗物质可以与光子相互作用并影响原子结构吗？光学原子钟的案例：在联邦物理技术技术中心 (PTB) 的合作研究中心 DQ-mat 和卓越量子前沿集群的范围内对两种不同类型的此类时钟进行了比较。这是迄今为止对超轻暗物质与光子相互作用最准确的搜索。
通过这项工作，在大范围的暗物质粒子质量上，现有的可能耦合的检测极限已经提高了一个数量级以上。虽然尚未发现暗物质耦合的证据，但这项工作使我们更接近于了解暗物质的性质和潜在的相互作用。调查结果发表在最新一期的《物理评论快报》杂志上。
天文观测表明存在所谓的“暗物质”，它占所有物质的 80% 以上，并且据我们所知，仅通过重力与普通可见物质相互作用。特别是，尚未建立与光子（光也是由基本粒子组成）相互作用的证据，因此此类物质被称为“暗”。暗物质是由什么构成的，以及是否与常规物质存在相互作用，仍然是一个巨大的谜团。
一种特别有前途的理论方法表明，暗物质可能由极轻的粒子组成，并且其行为比单个粒子更像波：所谓的“超轻”暗物质。在这种情况下，以前未被发现的暗物质与光子的弱相互作用将导致精细结构常数的微小振荡。
精细结构常数是描述电磁相互作用强度的自然常数。它决定原子能级，从而影响原子钟中用作参考的跃迁频率。由于不同的跃迁对常数可能发生的变化有不同程度的敏感，因此原子钟的比较可以用来寻找超轻暗物质。为此，PTB 的研究人员现在使用了一种原子钟，该原子钟对此类搜索中精细结构常数可能发生的变化特别敏感。
为此，在长达数月的测量中，将这种灵敏的原子钟与其他两个灵敏度较低的原子钟进行了比较。对所得测量数据进行了振荡研究，这是超轻暗物质的特征。由于没有发现明显的振荡，因此即使在更仔细的检查下，暗物质仍然是“黑暗的”。因此未能实现对神秘暗物质的探测。由于没有信号，可以确定超轻物质与光子可能耦合强度的新实验上限。之前的限制在很大范围内提高了一个数量级以上。
与此同时，研究人员还研究了精细结构常数是否会随着时间的推移而变化，例如非常缓慢地增加或减少。数据中没有检测到这种变化。在这里，现有的限制也被收紧，表明该常数即使在很长一段时间内也保持不变。
与之前的时钟比较相比，每个原子钟都需要自己的实验系统，而在这项工作中，三个原子钟中的两个是在一个实验装置中实现的。为此，使用了单个捕获离子的两个不同跃迁频率：在两个光学跃迁上交替询问离子。这是使光学频率比较更加紧凑和稳健的重要一步——例如，对于未来在太空中搜索暗物质而言。
