Kom tættere på at måle kvantetyngdekraften – Physics World

Kom tættere på at måle kvantetyngdekraften – Physics World

Tidsstempel: 9. april 2024 kl. 4


Kunstnerens indtryk af eksperimentet, der ligner en glødende lilla kugle, der udstråler lilla pigge, som om den var i bevægelse
Et kunstnerindtryk af kvanteeksperimentet. (Med høflighed: University of Southampton)

Den første teknik, der er i stand til at måle tyngdekraftens træk på en partikel, der kun er mikrometer i diameter, kunne hjælpe søgen efter en kvanteteori om tyngdekraft - et mangeårigt mål inden for fysik. Det nye eksperiment bruger en superledende kvanteinterferensanordning (SQUID) til at detektere kraften på partiklen ved ultralave temperaturer og undertrykker vibrationer, der kan forstyrre bevægelse på grund af tyngdekraften.

Tyngdekraften adskiller sig fra de andre fundamentale kræfter, fordi den beskriver en krumning i rum-tid snarere end ligefremme interaktioner mellem objekter. Denne forskel forklarer til dels, hvorfor teoretiske fysikere længe har kæmpet for at forene tyngdekraften (som beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori) med kvantemekanikken. Et af de vigtigste problemer er, at mens sidstnævnte antager, at rum-tid er fast, siger førstnævnte, at det ændrer sig i nærvær af massive objekter. Da eksperimenter for at bestemme, hvilken beskrivelse der er korrekt, er ekstremt vanskelige at udføre, forbliver en teori om kvantetyngdekraft uden for rækkevidde på trods af megen teoretisk indsats inden for områder som strengteori og sløjfekvantetyngdekraft.

Meissner-statens feltudvisning

I det nye værk, som er rapporteret i Videnskabelige fremskridt, fysiker Tjerk Oosterkamp of Leiden Universitet i Holland sammen med kolleger på Southampton University, Storbritannien og Italien Institut for Fotonik og Nanoteknologi, undersøgte grænsen mellem tyngdekraft og kvantemekanik ved at studere tyngdekraftens træk på en magnetisk partikel med en masse på kun 0.43 milligram - nær grænsen, hvor kvanteeffekter begynder at vise sig. For at udføre deres undersøgelse fangede de partiklen i et magnetfelt genereret ved at sende strøm gennem ledninger, der bliver superledende ved temperaturer under 100 millikelvin. Det resulterende magnetiske felt "landskab" får partiklen til at levitere takket være en velkendt superledende effekt kendt som Meissner-tilstand feltuddrivelse, hvor feltet, der opstår fra strømme i superlederen, modsætter sig partiklens eget magnetfelt fuldstændigt.

Da partiklen var ved at svæve, målte forskerne meget små ændringer i magnetfeltet, der opstår, når den bevæger sig rundt om sit massecenter. De gjorde dette ved hjælp af et integreret DC SQUID-magnetometer, mens de kontinuerligt justerede frekvensen af ​​det magnetiske fangstpotentiale. Dette gjorde dem i stand til at karakterisere amplituden af ​​partiklens bevægelse som en funktion af disse frekvensskift.

Undertrykkelse af vibrationer

Forskerne skabte derefter en gravitationsforstyrrelse ved at dreje et tungt hjul lige uden for køleskabet eller kryostaten, der indeholdt eksperimentet. Hjulets rotationsfrekvens blev indstillet til at excitere en af ​​vibrationsfrekvenserne for den leviterede partikel. Men før de kunne måle ændringer i partiklens bevægelse på grund af denne tyngdekraftsforstyrrelse, skulle Oosterkamp og kolleger først sikre sig, at andre ting, der kunne sætte partiklen i gang – såsom vibrationer fra kompressoren og pumper, der er ansvarlige for at køle superlederen – var meget godt undertrykt.

"Det viste sig at være den mest presserende udfordring i vores eksperiment," forklarer Oosterkamp, ​​"men da det først var lykkedes os at gøre dette, viste bevægelsen af ​​den tilbageværende partikel at være så lille, at den blev forstyrret af tyngdekraften - og vi kunne faktisk måle dette."

At rykke grænserne

Oosterkamp og kolleger havde oprindeligt til hensigt at bruge deres kryostat til at køle og excitere en mekanisk resonator. "Vi gjorde dette for at prøve at bevise, at det kunne være to steder samtidigt - meget på den måde, som en elektron kan være, når den viser interferenseffekter, der passerer gennem to spalter," forklarer Oosterkamp. »Ud fra interferensen udleder man, at elektronen er en bølge og går gennem begge spalter på én gang. Til vores eksperiment, som stadig har lang vej at gå, har vi arbejdet på at isolere vibrationer for at køle en kraftsensor ned for at observere den samme type effekt for en lille mekanisk resonator."

Disse indledende eksperimenter gik så godt, husker han, at de spurgte sig selv: hvad er den mindste kraft, de kunne udøve på partiklen i deres opsætning for at demonstrere eksperimentets følsomhed? "Da vi indså, at tyngdekraftsmålinger var inden for rækkevidde, var vi særligt motiverede," husker Oosterkamp.

Eksperimentet skal være endnu mere følsomt

Det næste skridt, siger Oosterkamp, ​​er at bringe gravitations- og kvanteeffekter endnu tættere sammen. "At kunne måle tyngdekraften fra en partikel, der er to steder på én gang, ville være meget ønskeligt, men vi er nødt til at gøre vores eksperiment endnu mere følsomt for at gøre dette og foretage målinger på tungere objekter, der viser kvanteeffekter - som superposition og forviklinger, for eksempel,” siger han.

Til dette formål arbejder forskerne på at udskifte hjulet uden for deres kryostat med et lignende hjul eller propel inde i det. "I stedet for et hjul med kilogramstore klodser på og placeret 30 cm væk fra sensoren, håber vi at lave milligrammasser på en propel, der er kun en centimeter væk," siger Oosterkamp.

Holdet forsøger også at isolere eksterne vibrationer i deres eksperiment endnu mere og gøre deres system koldere. "Disse foranstaltninger kan forbedre målefølsomheden med 100 gange," siger Oosterkamp.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden