En trædesten til måling af kvantetyngdekraften

En gruppe af teoretiske fysikere, inklusive to fysikere fra universitetet i Groningen, har foreslået en 'bordplade' enhed, der kunne måle tyngdekraftsbølger. Imidlertid, deres egentlige mål er at besvare et af fysikkens største spørgsmål:er tyngdekraften et kvantefænomen? Nøgleelementet for enheden er kvantesuperpositionen af ​​store objekter. Deres design blev udgivet i New Journal of Physics den 6. august.

Allerede i preprint-stadiet, papiret, der blev skrevet af Ryan J. Marshman, Peter F. Barker og Sougato Bose (University College London, Storbritannien), Gavin W. Morley (University of Warwick, UK) og Anupam Mazumdar og Steven Hoekstra (University of Groningen, Holland) blev hyldet som en ny metode til at måle tyngdekraftsbølger. I stedet for de nuværende kilometerstore LIGO- og VIRGO-detektorer, fysikerne, der arbejder i Storbritannien og i Holland, foreslog en borddetektor. Denne enhed ville være følsom over for lavere frekvenser end de aktuelle detektorer, og det ville være let at pege dem mod bestemte dele af himlen – i modsætning hertil strømdetektorerne ser kun en fast del.

Diamant

Nøgledelen af ​​enheden er en lille diamant, kun et par nanometer i størrelse. "I denne diamant, et af carbonatomerne er erstattet af et nitrogenatom, " forklarer adjunkt Anupam Mazumdar. Dette atom introducerer et frirum i valensbåndet, som kan fyldes med en ekstra elektron. Kvanteteori siger, at når elektronen bestråles med laserlys, den kan enten absorbere eller ikke absorbere fotonenergien. Absorbering af energien ville ændre elektronens spin, et magnetisk moment, der kan være enten op eller ned.

"Ligesom Schrödingers kat, som er død og levende på samme tid, dette elektronspin absorberer og absorberer ikke fotonenergien, så dens spin er både op og ned." Dette fænomen kaldes kvantesuperposition. Da elektronen er en del af diamanten, hele objektet - med en masse på omkring 10 ^-17 kilogram, som er enormt for kvantefænomener - er i kvantesuperposition.

"Vi har en diamant, der har opad og nedad spin på samme tid, " forklarer Mazumdar. Ved at påføre et magnetfelt, det er muligt at adskille de to kvantetilstande. Når disse kvantetilstande bringes sammen igen ved at slukke for magnetfeltet, de vil skabe et interferensmønster. "Arten af ​​denne interferens afhænger af den afstand, de to separate kvantetilstande har tilbagelagt. Og dette kan bruges til at måle tyngdekraftsbølger." Disse bølger er sammentrækninger af rummet, således at deres passage påvirker afstanden mellem de to adskilte tilstande og dermed interferensmønsteret.

Manglende link

Papiret viser, at denne opsætning faktisk kunne detektere tyngdekraftsbølger. Men det er ikke, hvad Mazumdar og hans kolleger egentlig er interesserede i. "Et system, hvor vi kan opnå kvantesuperposition af et mesoskopisk objekt såsom diamanten, og i et rimeligt tidsrum, ville være et rigtigt gennembrud, " siger Mazumdar. "Det ville gøre det muligt at tage alle slags målinger, og en af ​​dem kunne bruges til at bestemme, om tyngdekraften i sig selv er et kvantefænomen." Kvantetyngdekraften har været det 'missing link' i fysik i næsten et århundrede.

I et papir udgivet i 2017, Mazumdar og hans mangeårige samarbejdspartner Sougato Bose, sammen med flere kolleger, foreslog, at sammenfiltring mellem to mesoskopiske objekter kunne bruges til at finde ud af, om tyngdekraften i sig selv er et kvantefænomen. Kort sagt:sammenfiltring er et kvantefænomen, så når to objekter, der kun interagerer gennem tyngdekraften, viser sammenfiltring, dette beviser, at tyngdekraften er et kvantefænomen.

Teknologi

"I vores seneste papir, vi beskriver, hvordan man skaber mesoskopisk kvantesuperposition. Med to af disse systemer, vi var i stand til at vise sammenfiltring." som de bemærkede under deres arbejde, det enkelte system ville være følsomt over for gravitationsbølger, og dette blev fokus for New Journal of Physics papir.

"Teknologien til at bygge disse systemer kan tage et par årtier at udvikle, Mazumdar erkender. Et vakuum på 10 ^-15 Pascal er påkrævet, mens driftstemperaturen skal være så lav som muligt, nær det absolutte nulpunkt (-273 °C). "Teknologi til at opnå enten højt vakuum eller lav temperatur er tilgængelig, men vi har brug for teknologien til at opnå begge dele på samme tid." magnetfeltet skal være konstant. "Enhver udsving ville kollapse kvantesuperpositionen."

Frit fald

Belønningen for at skabe denne form for system ville være stor. "Det kan bruges til alle slags målinger inden for områder som ultra-lavenergifysik eller kvanteberegning, for eksempel." Og det kunne, selvfølgelig, bruges til at afgøre, om tyngdekraften er et kvantefænomen. Mazumdar, Bose og kolleger har netop uploadet endnu et fortryk, hvor de beskriver, hvordan dette eksperiment kunne udføres. "For at sikre, at den eneste interaktion mellem de to sammenfiltrede objekter er tyngdekraften mellem dem, eksperimentet skal udføres i frit fald, " forklarer Mazumdar. Med synlig entusiasme, han beskriver en en kilometer lang faldskakt i en dyb mine, for at reducere interferens. To sammenfiltrede mesoskopiske kvantesystemer bør tabes gentagne gange for at opnå en pålidelig måling. "Jeg tror, ​​det kan lade sig gøre i min levetid. Og resultatet ville endelig løse et af fysikkens største spørgsmål."