Fysikere udvikler en metode til at forbedre gravitationsbølgedetektorens følsomhed

Gravitationsbølgedetektorer har åbnet et nyt vindue til universet ved at måle krusninger i rumtiden produceret af kolliderende sorte huller og neutronstjerner, men de er i sidste ende begrænset af kvantefluktuationer induceret af lys, der reflekteres fra spejle. LSU Ph.D. fysikalumnen Jonathan Cripe og hans hold af LSU-forskere har udført et nyt eksperiment med forskere fra Caltech og Thorlabs for at udforske en måde at annullere denne kvantetilbageaktion og forbedre detektorfølsomheden.

I et nyt blad i Fysisk gennemgang X , forskerne præsenterer en metode til at fjerne kvantetilbageaktion i et forenklet system ved hjælp af et spejl på størrelse med et menneskehår og viser, at spejlets bevægelse er reduceret i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser. Forskningen blev støttet af National Science Foundation.

På trods af brugen af ​​40 kilogram spejle til at detektere passerende gravitationsbølger, lysets kvanteudsving forstyrrer spejlenes position, når lyset reflekteres. Efterhånden som gravitationsbølgedetektorer fortsætter med at blive mere følsomme med trinvise opgraderinger, denne kvantetilbageaktion vil blive en fundamental grænse for detektorernes følsomhed, hæmmer deres evne til at udtrække astrofysisk information fra gravitationsbølger.

"Vi præsenterer et eksperimentelt testbed til at studere og eliminere kvantetilbagevirkning, " sagde Cripe. "Vi udfører to målinger af positionen af ​​et makroskopisk objekt, hvis bevægelse er domineret af kvantetilbageaktion og viser, at ved at lave en simpel ændring i måleskemaet, vi kan fjerne kvanteeffekterne fra forskydningsmålingen. Ved at udnytte sammenhænge mellem fase og intensitet af et optisk felt, quantum backaction er elimineret."

Garrett Cole, teknologichef hos Thorlabs Crystalline Solutions (Crystalline Mirror Solutions blev købt af Thorlabs Inc. sidste år), og hans team konstruerede de mikromekaniske spejle ud fra et epitaksielt flerlag bestående af alternerende GaAs og AlGaAs. Et eksternt støberi, IQE North Carolina, voksede krystalstrukturen, mens Cole og hans team, herunder procesingeniører Paula Heu og David Follman, fremstillet enhederne på University of California Santa Barbaras nanofabrikation.

"Ved at udføre denne måling på et spejl, der er synligt for det blotte øje - ved stuetemperatur og ved frekvenser, der er hørbare for det menneskelige øre - bringer vi de subtile virkninger af kvantemekanikken tættere på den menneskelige erfaringsrige, " sagde LSU Ph.D.-kandidat Torrey Cullen. "Ved at dæmpe kvantehvisken, vi kan nu lytte til de mere subtile toner af den kosmiske symfoni."

"Denne forskning er især aktuel, fordi Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, eller LIGO, netop annonceret i sidste måned i Nature, at de har set virkningerne af kvantestrålingstrykstøj ved LIGO Livingston-observatoriet, " sagde Thomas Corbitt, lektor i LSU Institut for Fysik &Astronomi.

Indsatsen bag det papir, "Kvantekorrelationer mellem lys og kilogram-massespejlene af LIGO, "er blevet ledet af Nergis Mavalvala, dekan for MIT School of Science, samt postdoc-forsker Haocun Yu og forsker Lee McCuller, både ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

"Kvantestrålingstrykstøj stikker allerede ud af støjgulvet i Advanced LIGO, og inden længe, det vil være en begrænsende støjkilde i GW-detektorer, " sagde Mavalvala. "Dybere astrofysiske observationer vil kun være mulige, hvis vi kan reducere det, og dette smukke resultat fra Corbitt-gruppen på LSU demonstrerer en teknik til at gøre netop det."