Komme nærmere måling av kvantetyngdekraften – Physics World

Den første teknikken som er i stand til å måle tyngdekraften på en partikkel som bare er mikron i diameter, kan hjelpe søket etter en kvanteteori om tyngdekraft – et langvarig mål innen fysikk. Det nye eksperimentet bruker en superledende kvanteinterferensenhet (SQUID) for å oppdage kraften på partikkelen ved ultralave temperaturer og undertrykker vibrasjoner som kan forstyrre bevegelse på grunn av tyngdekraften.

Tyngdekraften skiller seg fra de andre grunnleggende kreftene fordi den beskriver en krumning i rom-tid i stedet for enkle interaksjoner mellom objekter. Denne forskjellen forklarer delvis hvorfor teoretiske fysikere lenge har kjempet for å forene gravitasjon (som beskrevet av Einsteins generelle relativitetsteori) med kvantemekanikk. Et av de viktigste punktene er at mens sistnevnte antar at rom-tid er fast, sier førstnevnte at den endres i nærvær av massive objekter. Siden eksperimenter for å bestemme hvilken beskrivelse som er riktig er ekstremt vanskelig å utføre, forblir en teori om kvantetyngdekraft utenfor rekkevidde til tross for mye teoretisk innsats på områder som strengteori og løkkekvantetyngdekraft.

Meissner-stats feltutvisning

I det nye verket, som er rapportert i Vitenskapelige fremskritt, fysiker Tjerk Oosterkamp of Leiden Universitet i Nederland, sammen med kolleger på Southampton University, Storbritannia og Italia Institutt for fotonikk og nanoteknologi, undersøkte grensen mellom gravitasjon og kvantemekanikk ved å studere tyngdekraften på en magnetisk partikkel med en masse på bare 0.43 milligram – nær grensen der kvanteeffekter begynner å dukke opp. For å utføre studien fanget de partikkelen i et magnetfelt generert ved å sende strøm gjennom ledninger som blir superledende ved temperaturer under 100 millikelvin. Det resulterende magnetiske feltet "landskap" får partikkelen til å levitere takket være en velkjent superledende effekt kjent som Meissner-tilstand feltutdrivelse der feltet som oppstår fra strømmer i superlederen helt motarbeider partikkelens eget magnetfelt.

Når partikkelen var i ferd med å sveve, målte forskerne svært små endringer i magnetfeltet som oppstår når den beveger seg rundt massesenteret. De gjorde dette ved å bruke et integrert DC SQUID-magnetometer mens de kontinuerlig stilte inn frekvensen til det magnetiske fangstpotensialet. Dette gjorde dem i stand til å karakterisere amplituden til partikkelens bevegelse som en funksjon av disse frekvensskiftene.

Undertrykker vibrasjoner

Forskerne skapte deretter en gravitasjonsforstyrrelse ved å rotere et tungt hjul like utenfor kjøleskapet, eller kryostaten, som inneholdt eksperimentet. Rotasjonsfrekvensen til hjulet ble innstilt for å eksitere en av vibrasjonsfrekvensene til den leviterte partikkelen. Men før de kunne måle endringer i partikkelens bevegelse på grunn av denne gravitasjonsforstyrrelsen, måtte Oosterkamp og kollegene først sørge for at andre ting som kunne sette partikkelen i bevegelse – som vibrasjoner som kommer fra kompressoren og pumper som er ansvarlige for å kjøle superlederen – var veldig godt undertrykt.

"Det viste seg å være den mest presserende utfordringen i eksperimentet vårt," forklarer Oosterkamp, ​​"men når vi først hadde lykkes med dette, viste bevegelsen til partikkelen som ble igjen å være så liten at den ble forstyrret av tyngdekraften - og vi kunne faktisk måle dette."

Skyve grensene

Oosterkamp og kollegene hadde opprinnelig til hensikt å bruke kryostaten sin til å avkjøle og begeistre en mekanisk resonator. "Vi gjorde dette for å prøve å bevise at det kunne være på to steder samtidig - omtrent på samme måte som et elektron kan være når det viser interferenseffekter som passerer gjennom to spalter," forklarer Oosterkamp. «Fra interferensen slutter man at elektronet er en bølge og går gjennom begge spaltene samtidig. For eksperimentet vårt, som fortsatt har en lang vei å gå, har vi jobbet med å isolere vibrasjoner for å kjøle ned en kraftsensor for å observere samme type effekt for en liten mekanisk resonator.»

Disse innledende eksperimentene gikk så bra, husker han, at de spurte seg selv: hva er den minste kraften de kunne utøve på partikkelen i oppsettet for å demonstrere eksperimentets følsomhet? "Da vi innså at gravitasjonsmålinger var innen rekkevidde, ble vi spesielt motiverte," husker Oosterkamp.

Eksperimentet må være enda mer følsomt

Det neste trinnet, sier Oosterkamp, ​​er å bringe gravitasjons- og kvanteeffekter enda nærmere hverandre. "Å kunne måle gravitasjonskraften fra en partikkel som er på to steder samtidig ville være veldig ønskelig, men vi må gjøre eksperimentet vårt enda mer følsomt for å gjøre dette og gjøre målinger på tyngre objekter som viser kvanteeffekter - som superposisjon og forviklinger, for eksempel, sier han.

For dette formål jobber forskerne med å erstatte hjulet utenfor kryostaten deres med et lignende hjul eller propell inne i den. "I stedet for et hjul med kilogramstore blokker på og plassert 30 cm unna sensoren, håper vi å lage milligrammasser på en propell som er bare en centimeter unna," sier Oosterkamp.

Teamet prøver også å isolere ytre vibrasjoner i eksperimentet deres ytterligere og gjøre systemet kaldere. "Disse tiltakene kan forbedre målefølsomheten med 100 ganger," sier Oosterkamp.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/