Gravitatiegolfdetectoren hebben een nieuw venster op het universum geopend door de rimpelingen in de ruimtetijd te meten die worden geproduceerd door botsende zwarte gaten en neutronensterren, maar ze worden uiteindelijk beperkt door kwantumfluctuaties die worden veroorzaakt door licht dat door spiegels wordt weerkaatst. LSU Ph.D. alumnus natuurkunde Jonathan Cripe en zijn team van LSU-onderzoekers hebben een nieuw experiment uitgevoerd met wetenschappers van Caltech en Thorlabs om een ​​manier te vinden om deze kwantumbackaction te annuleren en de detectorgevoeligheid te verbeteren.

In een nieuwe krant in Fysieke beoordeling X , de onderzoekers presenteren een methode voor het verwijderen van kwantumbackactie in een vereenvoudigd systeem met behulp van een spiegel ter grootte van een mensenhaar en laten zien dat de beweging van de spiegel wordt verminderd in overeenstemming met theoretische voorspellingen. Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation.

Ondanks het gebruik van spiegels van 40 kilogram voor het detecteren van passerende zwaartekrachtgolven, kwantumfluctuaties van licht verstoren de positie van de spiegels wanneer het licht wordt gereflecteerd. Naarmate zwaartekrachtgolfdetectoren steeds gevoeliger worden met incrementele upgrades, deze kwantumbackactie zal een fundamentele limiet worden voor de gevoeligheid van de detectoren, het belemmeren van hun vermogen om astrofysische informatie uit zwaartekrachtsgolven te extraheren.

"We presenteren een experimenteel testbed voor het bestuderen en elimineren van kwantumbackaction, Cripe zei. "We voeren twee metingen uit van de positie van een macroscopisch object waarvan de beweging wordt gedomineerd door kwantumbackaction en laten zien dat door een eenvoudige wijziging in het meetschema aan te brengen, we kunnen de kwantumeffecten uit de verplaatsingsmeting verwijderen. Door gebruik te maken van correlaties tussen de fase en intensiteit van een optisch veld, kwantumbackaction wordt geëlimineerd."

Garrett Cole, technologiemanager bij Thorlabs Crystalline Solutions (Crystalline Mirror Solutions werd vorig jaar overgenomen door Thorlabs Inc.), en zijn team construeerden de micromechanische spiegels uit een epitaxiale meerlaagse bestaande uit afwisselend GaAs en AlGaAs. Een buitengieterij, IKE Noord-Carolina, groeide de kristalstructuur terwijl Cole en zijn team, waaronder procesingenieurs Paula Heu en David Follman, vervaardigde de apparaten in de nanofabricagefaciliteit van de Universiteit van Californië in Santa Barbara.

"Door deze meting uit te voeren op een spiegel die zichtbaar is voor het blote oog - bij kamertemperatuur en bij frequenties die hoorbaar zijn voor het menselijk oor - brengen we de subtiele effecten van de kwantummechanica dichter bij het rijk van de menselijke ervaring, " zei LSU-promovendus Torrey Cullen. "Door de kwantumfluistering te stillen, we kunnen nu luisteren naar de meer subtiele tonen van de kosmische symfonie."

"Dit onderzoek komt vooral op het juiste moment omdat het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, of LIGO, hebben zojuist vorige maand in Nature aangekondigd dat ze de effecten van kwantumstralingsdrukgeluid hebben gezien bij het LIGO Livingston-observatorium, " zei Thomas Corbitt, universitair hoofddocent bij de LSU-afdeling Natuur- en Sterrenkunde.

De inspanning achter dat papier, "Kwantumcorrelaties tussen licht en de kilogrammassaspiegels van LIGO, " is geleid door Nergis Mavalvala, decaan van de MIT School of Science, evenals postdoctoraal wetenschapper Haocun Yu en onderzoekswetenschapper Lee McCuller, beide aan het MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

"Kwantumstralingsdrukgeluid steekt al uit de geluidsvloer in Advanced LIGO, en weldra, het zal een beperkende geluidsbron zijn in GW-detectoren, Mavalvala zei. "Diepere astrofysische waarnemingen zullen alleen mogelijk zijn als we het kunnen verminderen, en dit prachtige resultaat van de Corbitt-groep bij LSU demonstreert een techniek om precies dat te doen."