Wetenschap
Kerr-verbeterde optische veer voor zwaartekrachtgolfdetectoren van de volgende generatie
De detectie van zwaartekrachtgolven geldt als een van de belangrijkste prestaties in de moderne natuurkunde. In 2017 werden voor het eerst zwaartekrachtsgolven gedetecteerd die voortkomen uit de samensmelting van een binaire neutronenster, waardoor cruciale informatie over ons universum aan het licht kwam, van de oorsprong van korte gammaflitsen tot de vorming van zware elementen.
Het detecteren van zwaartekrachtsgolven die uit de overblijfselen van na de fusie voortkomen, is echter ongrijpbaar gebleven omdat hun frequentiebereik buiten het bereik van moderne zwaartekrachtgolfdetectoren (GWD's) ligt. Deze ongrijpbare golven bevatten belangrijke inzichten in de interne structuur van neutronensterren, en aangezien deze golven eens in de paar decennia door moderne GWD's kunnen worden waargenomen, is er dringend behoefte aan GWD's van de volgende generatie.
Eén manier om de gevoeligheid van GWD's te vergroten is signaalversterking met behulp van een optische veer. Optische veren maken, in tegenstelling tot hun mechanische tegenhangers, gebruik van de stralingsdrukkracht van licht om veerachtig gedrag na te bootsen. De stijfheid van optische veren, zoals bij GWD's, wordt bepaald door het lichtvermogen in de optische holte. Het verbeteren van de resonantiefrequentie van optische veren vereist dus een toename van het lichtvermogen in de holte, wat echter kan resulteren in thermisch schadelijke effecten en kan voorkomen dat de detector goed werkt.
Om dit probleem aan te pakken heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Kentaro Somiya en dr. Sotatsu Otabe van de afdeling natuurkunde van Tokyo Tech, een baanbrekende oplossing ontwikkeld:de met Kerr verbeterde optische veer.
"Een veelbelovende methode om de impact van optische veren te vergroten zonder het intracavitaire vermogen te vergroten, is intracavitaire signaalversterking. Deze techniek verbetert de signaalversterkingsverhouding van de holte door gebruik te maken van niet-lineaire optische effecten en verbetert de optische veerconstante. Uit ons onderzoek bleek dat de optische Het Kerr-effect is een veelbelovende aanpak voor het succesvol toepassen van deze techniek", legt prof. Somiya uit.
Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
Dit ontwerp omvat het genereren van een intracavitair signaalversterkingseffect in een optomechanische holte van het Fabry-Perot-type door het inbrengen van een Kerr-medium. Het Kerr-medium induceert een optisch Kerr-effect in de holte, waarbij een optisch veld de brekingsindex van het medium verandert. Dit introduceert een drastische gradiënt van de stralingsdrukkracht in de holte, waardoor de optische veerconstante wordt verbeterd zonder het intracavitaire vermogen te vergroten.
Uit experimenten is gebleken dat het optische Kerr-effect de optische veerconstante met succes met een factor 1,6 verbetert. De resonantiefrequentie van de optische veer werd verhoogd van 53 Hz naar 67 Hz. De onderzoekers verwachten een nog grotere signaalversterkingsverhouding met verfijning van technische problemen.
"Het voorgestelde ontwerp is eenvoudig te implementeren en biedt een nieuwe afstembare parameter voor optomechanische systemen. Wij zijn van mening dat de gedemonstreerde techniek niet alleen een sleutelrol zal spelen in GWD's, maar ook in andere optomechanische systemen, zoals bij het afkoelen van macroscopische oscillatoren tot hun kwantumgrondtoestand ”, zegt dr. Otabe.
Over het geheel genomen vertegenwoordigt dit nieuwe optische veerontwerp een aanzienlijke stap in de richting van het benutten van het volledige potentieel van optomechanische systemen en verbeterde GWD's die in staat zijn de mysteries van ons universum te ontrafelen.