Lähempänä kvanttipainovoiman mittaamista – Physics World

Ensimmäinen tekniikka, joka pystyy mittaamaan painovoiman vetovoiman halkaisijaltaan vain mikronin kokoiseen hiukkaseen, voisi auttaa etsimään painovoiman kvanttiteoriaa – fysiikan pitkäaikaista tavoitetta. Uudessa kokeessa käytetään suprajohtavaa kvanttihäiriölaitetta (SQUID), joka havaitsee hiukkaseen kohdistuvan voiman erittäin alhaisissa lämpötiloissa ja vaimentaa tärinää, joka saattaa häiritä painovoiman aiheuttamaa liikettä.

Painovoima eroaa muista perusvoimista, koska se kuvaa aika-avaruuden kaarevuutta eikä suoraviivaista vuorovaikutusta esineiden välillä. Tämä ero selittää osittain sen, miksi teoreettiset fyysikot ovat pitkään taistelleet sovittaakseen yhteen painovoiman (kuten Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvailee) kvanttimekaniikan kanssa. Yksi tärkeimmistä tartuntakohdista on, että kun jälkimmäinen olettaa, että aika-avaruus on kiinteä, entinen väittää, että se muuttuu massiivisten esineiden läsnä ollessa. Koska kokeita oikean kuvauksen määrittämiseksi on äärimmäisen vaikeita suorittaa, kvanttigravitaation teoria pysyy ulottumattomissa huolimatta monista teoreettisista ponnisteluista sellaisilla aloilla kuin merkkijonoteoria ja silmukkakvanttigravitaatio.

Meissnerin osavaltion kentän karkotus

Uudessa teoksessa, joka on raportoitu v Tieteen kehitys, fyysikko Tjerk Oosterkamp of Leidenin yliopisto Alankomaissa yhdessä kollegoiden kanssa osoitteessa Southamptonin yliopisto, Iso-Britanniassa ja Italiassa Fotoniikan ja nanoteknologian instituutti, tutki painovoiman ja kvanttimekaniikan välistä rajaa tutkimalla painovoiman vetovoimaa magneettiseen hiukkaseen, jonka massa on vain 0.43 milligrammaa – lähellä rajaa, jossa kvanttivaikutukset alkavat ilmaantua. Suorittaakseen tutkimuksensa he vangitsivat hiukkasen magneettikenttään, joka syntyi johtamalla virtaa johtojen läpi, jotka muuttuvat suprajohtaviksi alle 100 millikelvinin lämpötiloissa. Tuloksena oleva magneettikenttä "maisema" saa hiukkasen leijumaan tunnetun suprajohtavan vaikutuksen ansiosta, joka tunnetaan nimellä Meissner-tilan kenttäpoisto, jossa suprajohteessa olevista virroista muodostuva kenttä vastustaa täysin hiukkasen omaa magneettikenttää.

Kun hiukkanen levitoitui, tutkijat mittasivat hyvin pieniä muutoksia magneettikentässä, joka syntyy, kun se liikkuu massakeskipisteensä ympäri. He tekivät tämän käyttämällä integroitua DC SQUID -magnetometriä samalla kun virittivät jatkuvasti magneettisen pyyntipotentiaalin taajuutta. Tämän ansiosta he pystyivät luonnehtimaan hiukkasen liikkeen amplitudia näiden taajuusmuutosten funktiona.

Värähtelyn vaimentaminen

Sitten tutkijat loivat gravitaatiohäiriön pyörittämällä raskasta pyörää aivan jääkaapin tai kryostaatin ulkopuolella, joka sisälsi kokeen. Pyörän pyörimistaajuus viritettiin herättämään yksi levitoidun hiukkasen värähtelytaajuuksista. Mutta ennen kuin he pystyivät mittaamaan tämän gravitaatiohäiriön aiheuttamia muutoksia hiukkasen liikkeessä, Oosterkampin ja kollegoiden oli ensin varmistettava, että muut asiat, jotka saattoivat saada hiukkasen liikkeelle – kuten kompressorista tulevat tärinät ja suprajohteen jäähdyttämisestä vastaavat pumput – olivat kunnossa. hyvin tukahdutettu.

"Se osoittautui kokeemme kiireellisimmäksi haasteeksi", Oosterkamp selittää, "mutta kun olimme onnistuneet tässä, jäljelle jääneen hiukkasen liike osoittautui niin pieneksi, että painovoima häiritsi sitä - ja me voisi todella mitata tätä."

Rajojen vieminen

Oosterkamp ja kollegat aikoivat alun perin käyttää kryostaattiaan mekaanisen resonaattorin jäähdyttämiseen ja virittämiseen. "Teimme tämän yrittääksemme todistaa, että se voi olla kahdessa paikassa samanaikaisesti - pitkälti samalla tavalla kuin elektroni voi olla, kun se näyttää häiriövaikutuksia kulkemassa kahden raon läpi", Oosterkamp selittää. "Häiriöstä päättelee, että elektroni on aalto ja kulkee molempien rakojen läpi kerralla. Kokeessamme, johon on vielä pitkä matka, olemme työskennelleet värähtelyjen eristämiseksi voima-anturin jäähdyttämiseksi, jotta voimme havaita samanlaisen vaikutuksen pienessä mekaanisessa resonaattorissa.

Nämä ensimmäiset kokeet menivät niin hyvin, hän muistelee, että he kysyivät itseltään: mikä on pienin voima, jonka he voivat kohdistaa hiukkaseen kokoonpanossaan osoittaakseen kokeen herkkyyden? "Kun tajusimme, että painovoimamittaukset olivat ulottuvillamme, olimme erityisen motivoituneita", Oosterkamp muistelee.

Kokeilun on oltava vielä herkempi

Seuraava askel, Oosterkamp sanoo, on tuoda gravitaatio- ja kvanttivaikutukset entistä lähemmäksi toisiaan. "On erittäin toivottavaa, että pystymme mittaamaan gravitaatiovoiman hiukkasesta, joka on kahdessa paikassa yhtä aikaa, mutta meidän on tehtävä kokeilumme vielä herkempiä tehdäksemme tämän ja tehdä mittauksia raskaammista esineistä, joissa on kvanttivaikutuksia, kuten superpositiota ja esimerkiksi sotkeutumiseen”, hän sanoo.

Tätä varten tutkijat pyrkivät korvaamaan kryostaatin ulkopuolella olevan pyörän samanlaisella pyörällä tai potkurilla sen sisällä. "Sen sijaan pyörän, jossa on kilon kokoisia lohkoja ja joka on sijoitettu 30 cm:n päähän anturista, toivomme saavamme milligrammamassat potkurille, joka on vain sentin päässä", Oosterkamp sanoo.

Tiimi yrittää myös eristää ulkoiset värähtelyt kokeessaan entisestään ja tehdä järjestelmästään kylmemmän. "Nämä toimenpiteet voivat parantaa mittausherkkyyttä 100-kertaisesti", Oosterkamp sanoo.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/