Voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein, zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimte-tijd die worden gegenereerd door bepaalde bewegingen van massieve objecten. Ze zijn belangrijk om te bestuderen omdat ze ons in staat stellen om gebeurtenissen in het universum te detecteren die anders weinig of geen waarneembaar licht zouden achterlaten, zoals botsingen met zwarte gaten.

in 2015, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Virgo-samenwerkingen maakten de eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven. De golven werden uitgezonden door een 1,3 miljard jaar oude botsing tussen twee superzware zwarte gaten en werden gedetecteerd met behulp van 4 km lange optische interferometers toen de gebeurtenis rimpelingen veroorzaakte in de ruimte-tijd van de aarde.

Onderzoekers van de UCL, Rijksuniversiteit Groningen, en University of Warwick stellen een detector voor op basis van kwantumtechnologie die 4000 keer kleiner is dan de detectoren die momenteel in gebruik zijn en mid-frequentie zwaartekrachtgolven kunnen detecteren.

De studie, vandaag gepubliceerd in Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , beschrijft hoe state-of-the-art kwantumtechnologieën en experimentele technieken kunnen worden gebruikt om een ​​detector te bouwen die de zwaartekracht op twee locaties tegelijk kan meten en vergelijken.

Het zou werken door diamantkristallen op nanoschaal te gebruiken met een gewicht van 10 ^-17 kg. De kristallen zouden in een kwantum ruimtelijke superpositie worden geplaatst met behulp van Stern-Gerlach-interferometrie. Ruimtelijke superpositie is een kwantumtoestand waarbij de kristallen op twee verschillende plaatsen tegelijkertijd bestaan.

Kwantummechanica zorgt voor een object, hoe groot ook, ruimtelijk op twee verschillende plaatsen tegelijk worden gedelokaliseerd. Ondanks dat het contra-intuïtief is en in direct conflict met onze dagelijkse ervaring, het superpositieprincipe van de kwantummechanica is experimenteel geverifieerd met behulp van neutronen, elektronen, ionen en moleculen.

Corresponderende auteur Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy en UCLQ), zei:"Kwantumzwaartekrachtsensoren bestaan ​​al met behulp van het superpositieprincipe. Deze sensoren worden gebruikt om de Newtoniaanse zwaartekracht te meten en zorgen voor ongelooflijk nauwkeurige meetapparatuur. De kwantummassa's die worden gebruikt door de huidige kwantumzwaartekrachtsensoren zijn veel kleiner, zoals atomen, maar experimenteel werk vordert de nieuwe interferometrietechnieken die nodig zijn om ons apparaat te laten werken om zwaartekrachtsgolven te bestuderen.

"We ontdekten dat onze detector een ander frequentiebereik van zwaartekrachtsgolven zou kunnen verkennen in vergelijking met LIGO. Deze frequenties zijn mogelijk alleen beschikbaar als wetenschappers grote detectoren in de ruimte bouwen met basislijnen die honderdduizenden kilometers groot zijn."

Het team stelt zich voor dat hun voorgestelde kleinere detector kan worden gebruikt om een ​​netwerk van detectoren te bouwen die in staat zouden zijn om zwaartekrachtsgolfsignalen uit achtergrondgeluid te halen. Dit netwerk zou ook nuttig kunnen zijn om nauwkeurige informatie te geven over de locatie van de objecten die de zwaartekrachtsgolven creëren.

co-auteur, Professor Sougato Bose (UCL Natuur- en Sterrenkunde en UCLQ), zei:"Hoewel de sensor die we hebben voorgesteld ambitieus is in zijn reikwijdte, er lijkt geen fundamenteel of onoverkomelijk obstakel te zijn voor de oprichting ervan met behulp van huidige en nabije toekomstige technologieën.

"Alle technische elementen om deze detector te maken zijn afzonderlijk gerealiseerd in verschillende experimenten over de hele wereld:de vereiste krachten, de kwaliteit van het vereiste vacuüm, de methode om de kristallen in superpositie te plaatsen. De moeilijkheid zal komen om alles samen te voegen en ervoor te zorgen dat de superpositie intact blijft."

De volgende stap is dat het team gaat samenwerken met experimentatoren om prototypes van het apparaat te bouwen. belangrijk, dezelfde klasse detectoren kan ook bijdragen aan het detecteren of zwaartekracht een kwantumkracht is, zoals blijkt uit recent werk aan de UCL en elders.

Ryan Marshman zei:"Onze oorspronkelijke ambitie was inderdaad om het apparaat te ontwikkelen om niet-klassieke zwaartekracht te onderzoeken. Maar, aangezien het een aanzienlijke inspanning zou zijn om een ​​dergelijke inrichting te realiseren, we dachten dat het echt belangrijk was om de effectiviteit van zo'n apparaat te onderzoeken, ook voor het meten van zeer zwakke klassieke zwaartekracht zoals zwaartekrachtsgolven en ontdekten dat het veelbelovend is!"