Der Messung der Quantengravitation näher kommen – Physics World

Die erste Technik, die in der Lage ist, die Anziehungskraft der Schwerkraft auf ein Teilchen mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern zu messen, könnte bei der Suche nach einer Quantentheorie der Schwerkraft hilfreich sein – ein langjähriges Ziel der Physik. Das neue Experiment verwendet ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID), um die Kraft auf das Teilchen bei extrem niedrigen Temperaturen zu erfassen und Vibrationen zu unterdrücken, die die Bewegung aufgrund der Schwerkraft beeinträchtigen könnten.

Die Schwerkraft unterscheidet sich von den anderen Grundkräften dadurch, dass sie eine Krümmung in der Raumzeit beschreibt und keine direkten Wechselwirkungen zwischen Objekten. Dieser Unterschied erklärt zum Teil, warum theoretische Physiker lange darum gekämpft haben, die Schwerkraft (wie sie in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben wird) mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen. Einer der Hauptstreitpunkte ist, dass letztere davon ausgeht, dass die Raumzeit fest ist, erstere jedoch besagt, dass sie sich in Gegenwart massiver Objekte ändert. Da Experimente zur Bestimmung der korrekten Beschreibung äußerst schwierig durchzuführen sind, bleibt eine Theorie der Quantengravitation trotz großer theoretischer Bemühungen in Bereichen wie der Stringtheorie und der Schleifenquantengravitation unerreichbar.

Meissner-Staatsfeldvertreibung

In der neuen Arbeit, über die berichtet wird Fortschritte in der Wissenschaft, Physiker Tjerk Oosterkamp of Leiden University in den Niederlanden, zusammen mit Kollegen bei Southampton Universität, Großbritannien und Italien Institut für Photonik und Nanotechnologien, erforschte die Grenze zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik, indem er die Anziehungskraft der Schwerkraft auf ein magnetisches Teilchen mit einer Masse von nur 0.43 Milligramm untersuchte – nahe der Grenze, an der Quanteneffekte auftreten. Um ihre Studie durchzuführen, fingen sie das Teilchen in einem Magnetfeld ein, das dadurch erzeugt wurde, dass Strom durch Drähte geleitet wurde, die bei Temperaturen unter 100 Millikelvin supraleitend werden. Die resultierende Magnetfeld-„Landschaft“ lässt das Teilchen dank eines bekannten supraleitenden Effekts schweben, der als Meissner-Feldausstoß bekannt ist und bei dem das durch Ströme im Supraleiter entstehende Feld dem eigenen Magnetfeld des Teilchens vollständig entgegenwirkt.

Sobald das Teilchen schwebte, maßen die Forscher sehr kleine Veränderungen im Magnetfeld, die entstehen, wenn es sich um seinen Massenschwerpunkt bewegt. Dazu verwendeten sie ein integriertes DC-SQUID-Magnetometer und stimmten gleichzeitig die Frequenz des magnetischen Einfangpotentials kontinuierlich ab. Dadurch konnten sie die Amplitude der Teilchenbewegung als Funktion dieser Frequenzverschiebungen charakterisieren.

Unterdrückung von Vibrationen

Anschließend erzeugten die Forscher eine Gravitationsstörung, indem sie ein schweres Rad direkt außerhalb des Kühlschranks oder Kryostats drehten, der das Experiment enthielt. Die Rotationsfrequenz des Rades wurde so abgestimmt, dass sie eine der Schwingungsfrequenzen des schwebenden Teilchens anregt. Doch bevor sie Änderungen in der Bewegung des Teilchens aufgrund dieser Gravitationsstörung messen konnten, mussten Oosterkamp und Kollegen zunächst sicherstellen, dass andere Dinge, die das Teilchen in Bewegung versetzen könnten – wie Vibrationen, die vom Kompressor und den Pumpen ausgehen, die für die Kühlung des Supraleiters verantwortlich sind –, dies auch tun sehr gut unterdrückt.

„Das war die drängendste Herausforderung in unserem Experiment“, erklärt Oosterkamp, ​​„aber als uns das gelungen war, stellte sich heraus, dass die Bewegung des verbleibenden Teilchens so gering war, dass sie durch die Schwerkraft gestört wurde – und wir.“ könnte das tatsächlich messen.“

An die Grenzen

Oosterkamp und Kollegen hatten ursprünglich vor, mit ihrem Kryostat einen mechanischen Resonator zu kühlen und anzuregen. „Wir haben dies getan, um zu beweisen, dass es gleichzeitig an zwei Orten sein kann – ähnlich wie ein Elektron sein kann, wenn es Interferenzeffekte zeigt, wenn es durch zwei Spalte geht“, erklärt Oosterkamp. „Aus der Interferenz schließt man, dass das Elektron eine Welle ist und beide Spalte gleichzeitig durchläuft. Für unser Experiment, das noch einen langen Weg vor sich hat, haben wir daran gearbeitet, Vibrationen zu isolieren, um einen Kraftsensor abzukühlen, um den gleichen Effekt für einen winzigen mechanischen Resonator zu beobachten.“

Er erinnert sich, dass diese ersten Experimente so gut verliefen, dass sie sich fragten: Was ist die kleinste Kraft, die sie in ihrem Aufbau auf das Teilchen ausüben könnten, um die Empfindlichkeit des Experiments zu demonstrieren? „Als uns klar wurde, dass Schwerkraftmessungen in greifbarer Nähe waren, waren wir besonders motiviert“, erinnert sich Oosterkamp.

Das Experiment muss noch sensibler sein

Der nächste Schritt, sagt Oosterkamp, ​​besteht darin, Gravitations- und Quanteneffekte noch näher zusammenzubringen. „Es wäre sehr wünschenswert, die Gravitationskraft eines Teilchens messen zu können, das sich an zwei Orten gleichzeitig befindet, aber wir müssen dafür unser Experiment noch empfindlicher machen und Messungen an schwereren Objekten durchführen, die Quanteneffekte zeigen – wie Superposition und.“ Verschränkung zum Beispiel“, sagt er.

Zu diesem Zweck arbeiten die Forscher daran, das Rad außerhalb ihres Kryostaten durch ein ähnliches Rad oder Propeller im Inneren zu ersetzen. „Anstelle eines Rads mit kilogrammgroßen Blöcken, das 30 cm vom Sensor entfernt platziert ist, hoffen wir, Milligramm-Massen auf einem Propeller erzeugen zu können, der nur einen Zentimeter entfernt ist“, sagt Oosterkamp.

Das Team versucht außerdem, externe Vibrationen in seinem Experiment noch weiter zu isolieren und das System kälter zu machen. „Diese Maßnahmen könnten die Messempfindlichkeit um das Hundertfache verbessern“, sagt Oosterkamp.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/