Dichter bij het meten van de kwantumzwaartekracht – Physics World

De eerste techniek die in staat is de zwaartekracht te meten op een deeltje met een diameter van slechts een micron zou de zoektocht naar een kwantumtheorie van de zwaartekracht kunnen ondersteunen – een al lang bestaand doel in de natuurkunde. Het nieuwe experiment maakt gebruik van een supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID) om de kracht op het deeltje bij ultralage temperaturen te detecteren en onderdrukt trillingen die de beweging als gevolg van de zwaartekracht zouden kunnen verstoren.

Zwaartekracht verschilt van de andere fundamentele krachten omdat het een kromming in de ruimte-tijd beschrijft in plaats van eenvoudige interacties tussen objecten. Dit verschil verklaart gedeeltelijk waarom theoretische natuurkundigen lange tijd moeite hebben gehad om de zwaartekracht (zoals beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie) te verzoenen met de kwantummechanica. Een van de belangrijkste knelpunten is dat terwijl laatstgenoemde ervan uitgaat dat de ruimte-tijd vastligt, de eerstgenoemde stelt dat deze verandert in de aanwezigheid van massieve objecten. Omdat experimenten om te bepalen welke beschrijving correct is uiterst moeilijk uit te voeren zijn, blijft een theorie van de kwantumzwaartekracht onbereikbaar, ondanks veel theoretische inspanningen op gebieden als de snaartheorie en de kwantumzwaartekracht.

Velduitzetting in de staat Meissner

In het nieuwe werk, waarover wordt gerapporteerd in Wetenschap gaat vooruit, natuurkundige Tjerk Oosterkamp of Universiteit Leiden in Nederland, samen met collega's van Southampton University, Groot-Brittannië en Italië Instituut voor Fotonica en Nanotechnologieën, onderzocht de grens tussen zwaartekracht en kwantummechanica door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op een magnetisch deeltje met een massa van slechts 0.43 milligram te bestuderen – vlakbij de grens waar kwantumeffecten beginnen te verschijnen. Om hun onderzoek uit te voeren, hielden ze het deeltje gevangen in een magnetisch veld dat werd gegenereerd door stroom door draden te laten gaan die supergeleidend worden bij temperaturen onder de 100 millikelvin. Het resulterende magnetische veldlandschap zorgt ervoor dat het deeltje gaat zweven dankzij een bekend supergeleidend effect dat bekend staat als velduitdrijving in de Meissner-toestand, waarbij het veld dat voortkomt uit stromen in de supergeleider het eigen magnetische veld van het deeltje volledig tegenwerkt.

Toen het deeltje eenmaal zweefde, maten de onderzoekers zeer kleine veranderingen in het magnetische veld die ontstaan ​​wanneer het rond zijn massamiddelpunt beweegt. Ze deden dit met behulp van een geïntegreerde DC SQUID-magnetometer, terwijl ze voortdurend de frequentie van het magnetische vangpotentieel afstemden. Hierdoor konden ze de amplitude van de beweging van het deeltje karakteriseren als functie van deze frequentieverschuivingen.

Het onderdrukken van trillingen

De onderzoekers creëerden vervolgens een zwaartekrachtverstoring door een zwaar wiel te laten draaien net buiten de koelkast, of cryostaat, waarin het experiment plaatsvond. De rotatiefrequentie van het wiel werd afgestemd om een ​​van de trillingsfrequenties van het zwevende deeltje op te wekken. Maar voordat ze veranderingen in de beweging van het deeltje als gevolg van deze zwaartekrachtverstoring konden meten, moesten Oosterkamp en collega's er eerst voor zorgen dat andere dingen die het deeltje in beweging konden zetten – zoals trillingen afkomstig van de compressor en pompen die verantwoordelijk zijn voor het afkoelen van de supergeleider – waren zeer goed onderdrukt.

‘Dat bleek de meest urgente uitdaging in ons experiment’, legt Oosterkamp uit, ‘maar toen we daar eenmaal in waren geslaagd, bleek de beweging van het deeltje dat overbleef zo ​​klein te zijn dat het werd verstoord door de zwaartekracht – en we zou dit daadwerkelijk kunnen meten.”

Grenzen verleggen

Oosterkamp en collega's waren oorspronkelijk van plan hun cryostaat te gebruiken om een ​​mechanische resonator te koelen en te exciteren. “We deden dit om te proberen te bewijzen dat het zich op twee plaatsen tegelijk zou kunnen bevinden – net zoals een elektron dat kan zijn wanneer het interferentie-effecten vertoont die door twee spleten gaan”, legt Oosterkamp uit. “Uit de interferentie kun je afleiden dat het elektron een golf is en door beide spleten tegelijk gaat. Voor ons experiment, dat nog een lange weg te gaan heeft, hebben we gewerkt aan het isoleren van trillingen om een ​​krachtsensor af te koelen en hetzelfde type effect waar te nemen voor een kleine mechanische resonator.”

Deze eerste experimenten verliepen zo goed, herinnert hij zich, dat ze zich afvroegen: wat is de kleinste kracht die ze in hun opstelling op het deeltje konden uitoefenen om de gevoeligheid van het experiment aan te tonen? “Toen we beseften dat zwaartekrachtmetingen binnen handbereik waren, waren we bijzonder gemotiveerd”, herinnert Oosterkamp zich.

Experiment moet nog gevoeliger zijn

De volgende stap, zegt Oosterkamp, ​​is om zwaartekracht- en kwantumeffecten nog dichter bij elkaar te brengen. “Het zou zeer wenselijk zijn om de zwaartekracht te kunnen meten van een deeltje dat zich op twee plaatsen tegelijk bevindt, maar daarvoor moeten we ons experiment nog gevoeliger maken en metingen doen aan zwaardere objecten die kwantumeffecten vertonen – zoals superpositie en verstrengeling bijvoorbeeld”, zegt hij.

Daartoe werken de onderzoekers eraan om het wiel buiten hun cryostaat te vervangen door een soortgelijk wiel of propeller erin. “In plaats van een wiel met kiloblokken erop en op 30 cm afstand van de sensor, hopen we milligrammassa’s te maken op een propeller die slechts een centimeter verwijderd is”, zegt Oosterkamp.

Het team probeert in hun experiment ook externe trillingen nog verder te isoleren en hun systeem kouder te maken. “Deze maatregelen zouden de meetgevoeligheid met een honderdvoud kunnen verbeteren”, zegt Oosterkamp.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/