Thiết kế lý thuyết cho máy dò sóng hấp dẫn có nhiều ứng dụng bổ sung

Một nhóm các nhà vật lý lý thuyết, trong đó có hai nhà vật lý từ Đại học Groningen, đã đề xuất một thiết bị ‘đặt trên bàn’ có thể đo sóng trọng lực. Tuy nhiên, mục đích thực sự của họ là trả lời một trong những câu hỏi lớn nhất trong vật lý: liệu lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử? Yếu tố quan trọng đối với thiết bị là sự chồng chất lượng tử của các vật thể lớn. Thiết kế của họ đã được đăng trên Tạp chí Vật lý Mới (New Journal of Physics) vào ngày 6 tháng 8.

Đã ở giai đoạn in trước, bài báo được viết bởi Ryan J. Marshman, Peter F. Barker và Sougato Bose (University College London, UK), Gavin W. Morley (University of Warwick, UK) và Anupam Mazumdar và Steven Hoekstra ( Đại học Groningen, Hà Lan) được ca ngợi là một phương pháp mới để đo sóng trọng lực. Thay vì các máy dò LIGO và VIRGO có kích thước hàng km hiện nay, các nhà vật lý làm việc tại Anh và Hà Lan đã đề xuất một máy dò đặt trên bàn. Thiết bị này sẽ nhạy cảm với các tần số thấp hơn so với các máy dò hiện tại và sẽ dễ dàng hướng chúng đến các phần cụ thể của bầu trời – ngược lại, các máy dò hiện tại chỉ nhìn thấy một phần cố định.

Kim cương

Phần quan trọng của thiết bị là một viên kim cương siêu nhỏ, kích thước chỉ vài nanomet. Phó giáo sư Anupam Mazumdar giải thích: “Trong viên kim cương này, một trong các nguyên tử cacbon được thay thế bằng nguyên tử nitơ. Nguyên tử này tạo ra một không gian tự do trong vùng hóa trị, vùng này có thể được lấp đầy bởi một điện tử phụ. Lý thuyết lượng tử nói rằng khi điện tử được chiếu xạ bằng ánh sáng laze, nó có thể hấp thụ hoặc không hấp thụ năng lượng photon. Hấp thụ năng lượng sẽ làm thay đổi spin của electron, một mômen từ có thể lên hoặc xuống.

‘Cũng giống như con mèo của Schrödinger, vừa chết vừa sống, spin của electron này không hấp thụ và không hấp thụ năng lượng photon, do đó spin của nó vừa lên vừa xuống.’ Hiện tượng này được gọi là chồng chất lượng tử. Kể từ khi điện tử là một phần của kim cương, toàn bộ đối tượng – với khối lượng khoảng 10 ¹⁷ kg, mà là rất lớn đối với hiện tượng lượng tử – là chồng chất lượng tử.

Mazumdar giải thích: “Chúng tôi có một viên kim cương có vòng quay lên và quay xuống cùng một lúc. Bằng cách áp dụng một từ trường, có thể tách hai trạng thái lượng tử. Khi các trạng thái lượng tử này lại gần nhau bằng cách tắt từ trường, chúng sẽ tạo ra một hình giao thoa. ‘Bản chất của sự giao thoa này phụ thuộc vào khoảng cách mà hai trạng thái lượng tử riêng biệt đã đi được. Và điều này có thể được sử dụng để đo sóng trọng lực. ‘ Các sóng này là sự co lại của không gian, do đó sự đi qua của chúng ảnh hưởng đến khoảng cách giữa hai trạng thái tách biệt và do đó tạo ra hình ảnh giao thoa.

Thiếu liên kết

Bài báo cho thấy thiết lập này thực sự có thể phát hiện ra sóng trọng lực. Nhưng đó không phải là điều Mazumdar và các đồng nghiệp của ông thực sự quan tâm. ‘Một hệ thống trong đó chúng ta có thể thu được chất chồng lượng tử của một vật thể trung mô như kim cương, và trong một khoảng thời gian hợp lý, sẽ là một bước đột phá thực sự. Nó sẽ cho phép thực hiện tất cả các loại phép đo, và một trong số đó có thể được sử dụng để xác định xem bản thân lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử hay không.’ Lực hấp dẫn lượng tử đã là ‘mắt xích còn thiếu’ trong vật lý trong gần một thế kỷ.

Trong một bài báo được xuất bản vào năm 2017 (1), Mazumdar và cộng sự lâu năm của ông Sougato Bose, cùng với một số đồng nghiệp, đã gợi ý rằng sự vướng víu giữa hai vật thể trung mô có thể được sử dụng để tìm hiểu xem bản thân lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử hay không. Nói một cách đơn giản: sự vướng víu là một hiện tượng lượng tử, vì vậy khi hai vật thể chỉ tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn sẽ xuất hiện sự vướng víu, điều này chứng tỏ rằng lực hấp dẫn là một hiện tượng lượng tử.

Công nghệ

‘Trong bài báo mới nhất của chúng tôi, chúng tôi mô tả cách tạo ra chồng chất lượng tử trung mô. Với hai trong số các hệ thống này, chúng tôi có thể cho thấy sự vướng víu. ‘ Tuy nhiên, như họ nhận thấy trong quá trình làm việc của mình, hệ thống đơn lẻ sẽ nhạy cảm với sóng hấp dẫn và điều này đã trở thành tiêu điểm của bài báo New Journal of Physics .

Mazumdar thừa nhận: “Công nghệ để xây dựng những hệ thống này có thể mất vài thập kỷ để phát triển. Cần có chân không từ ^10-15 Pascal, trong khi nhiệt độ hoạt động phải càng thấp càng tốt, gần không độ tuyệt đối (-273 ° C). ‘Có sẵn công nghệ để đạt được nhiệt độ chân không cao hoặc nhiệt độ thấp, nhưng chúng tôi cần công nghệ để đạt được cả hai điều này cùng một lúc.’ Hơn nữa, từ trường phải không đổi. “Bất kỳ biến động nào cũng sẽ làm sụp đổ chồng chất lượng tử.”

Rơi tự do

Phần thưởng cho việc tạo ra loại hệ thống này sẽ rất lớn. ‘Nó có thể được sử dụng cho tất cả các loại phép đo trong các lĩnh vực như vật lý năng lượng cực thấp hoặc điện toán lượng tử chẳng hạn.’ Và tất nhiên, nó có thể được sử dụng để xác định xem lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử hay không. Mazumdar, Bose và các đồng nghiệp vừa tải lên một bản in trước khác (2), trong đó họ mô tả cách thử nghiệm này có thể được thực hiện. Mazumdar giải thích: ‘Để đảm bảo rằng lực tương tác duy nhất giữa hai vật thể vướng víu là trọng lực giữa chúng, thí nghiệm nên được thực hiện trong sự rơi tự do. Với sự nhiệt tình có thể nhìn thấy, ông mô tả một trục thả dài một km trong một mỏ sâu, để giảm nhiễu. Hai hệ thống lượng tử trung mô vướng vào nhau nên được thả nhiều lần để có được một phép đo đáng tin cậy. ‘Tôi nghĩ điều này có thể được thực hiện trong cuộc đời của tôi.

Ghi chú:

(1) Spin Sougato Bose et al: Entanglement Witness for Quantum Gravity. Phys Rev Letters 2017, DOI 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

(2) M. Toroš, TW van de Kamp, RJ Marshman, MS Kim, A. Mazumdar, S. Bose: Giảm nhiễu gia tốc tương đối cho khối lượng cuốn vào thông qua trọng lực lượng tử. arXiv 29 tháng 7 năm 2020. https://arxiv.org/abs/2007.15029

Nguồn truyện:

Tài liệu do Đại học Groningen cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar, Gavin W Morley, Peter F Barker, Steven Hoekstra, Sougato Bose. Giao thoa kính hiển vi để phát hiện hệ mét và độ cong & sóng hấp dẫn . Tạp chí Vật lý mới , 2020; 22 (8): 083012 DOI: 10.1088 / 1367-2630 / ab9f6c