Kerr-forbedret optisk fjeder til næste generations gravitationsbølgedetektorer

Detektionen af ​​gravitationsbølger er en af ​​de mest betydningsfulde resultater i moderne fysik. I 2017 blev gravitationsbølger fra sammensmeltningen af ​​en binær neutronstjerne opdaget for første gang, som afslørede afgørende information om vores univers, fra oprindelsen af ​​korte gammastråleudbrud til dannelsen af ​​tunge grundstoffer.

Detektering af gravitationsbølger, der dukker op fra efter-fusions-rester, er dog forblevet uhåndgribelig på grund af deres frekvensområde, der ligger uden for rækkevidden af ​​moderne gravitationsbølgedetektorer (GWD'er). Disse undvigende bølger rummer vigtig indsigt i neutronstjernernes indre struktur, og da disse bølger kan observeres en gang hvert par årtier af moderne GWD'er, er der et presserende behov for næste generations GWD'er.

En måde at øge følsomheden af ​​GWD'er på er signalforstærkning ved hjælp af en optisk fjeder. Optiske fjedre, i modsætning til deres mekaniske modstykker, udnytter strålingstrykkraften fra lys til at efterligne fjederlignende adfærd. Stivheden af ​​optiske fjedre, såsom i GWD'er, bestemmes af lysstyrken i det optiske hulrum. Forøgelse af resonansfrekvensen af ​​optiske fjedre kræver således at øge lysstyrken i det indre hulrum, hvilket dog kan resultere i termisk skadelige effekter og forhindre detektoren i at fungere korrekt.

For at løse dette problem udviklede et team af forskere fra Japan, ledet af lektor Kentaro Somiya og Dr. Sotatsu Otabe fra Institut for Fysik ved Tokyo Tech, en banebrydende løsning:den Kerr-forstærkede optiske fjeder.

"En lovende metode til at øge virkningen af ​​optiske fjedre uden at øge intrakavitetseffekten er intrakavitetssignalforstærkning. Denne teknik forbedrer signalforstærkningsforholdet i kaviteten ved at bruge ikke-lineære optiske effekter og forbedrer den optiske fjederkonstant. Vores forskning viste, at den optiske Kerr-effekten er en lovende tilgang til succesfuld udnyttelse af denne teknik," forklarer prof. Somiya.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

Dette design involverer generering af intrakavitetssignalforstærkningseffekt i et optomekanisk hulrum af Fabry-Perot-typen ved at indsætte et Kerr-medium. Kerr-mediet inducerer en optisk Kerr-effekt i hulrummet, hvor et optisk felt ændrer mediets brydningsindeks. Dette introducerer en drastisk gradient af strålingstrykkraften i hulrummet, hvilket forbedrer den optiske fjederkonstant uden at øge effekten i hulrummet.

Eksperimenter viste, at den optiske Kerr-effekt med succes forbedrer den optiske fjederkonstant med en faktor på 1,6. Den optiske fjeders resonansfrekvens blev øget fra 53 Hz til 67 Hz. Forskerne forventer et endnu større signalforstærkningsforhold med forfining af tekniske problemer.

"Det foreslåede design er nemt at implementere og giver en ny indstillelig parameter for optomekaniske systemer. Vi mener, at demonstreret teknik vil spille en nøglerolle ikke kun i GWD'er, men også i andre optomekaniske systemer, såsom ved afkøling af makroskopiske oscillatorer til deres kvantejordtilstand ," siger Dr. Otabe.

Samlet set repræsenterer dette nye optiske fjederdesign et betydeligt skridt i retning af at udnytte det fulde potentiale af optomekaniske systemer såvel som forbedrede GWD'er, der er i stand til at opklare mysterierne i vores univers.

Flere oplysninger: Sotatsu Otabe et al., Kerr-Enhanced Optical Spring, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.143602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.18828

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af Tokyo Institute of Technology