Komma närmare mätning av kvantgravitation – Physics World

Komma närmare mätning av kvantgravitation – Physics World

Tidsstämpel: 9 april 2024 4:30


Konstnärens intryck av experimentet, som liknar en glödande lila boll som strålar ut lila spikar som om den var i rörelse
En konstnärs intryck av kvantexperimentet. (Med tillstånd: University of Southampton)

Den första tekniken som kan mäta gravitationens dragkraft på en partikel som bara är mikrometer i diameter kan hjälpa sökandet efter en kvantteori om gravitation – ett långvarigt mål inom fysiken. Det nya experimentet använder en supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) för att upptäcka kraften på partikeln vid ultralåga temperaturer och undertrycker vibrationer som kan störa rörelsen på grund av gravitationen.

Tyngdkraften skiljer sig från de andra fundamentala krafterna eftersom den beskriver en krökning i rum-tid snarare än enkla interaktioner mellan objekt. Denna skillnad förklarar delvis varför teoretiska fysiker länge har kämpat för att förena gravitationen (som beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori) med kvantmekaniken. En av de viktigaste problematikerna är att medan den senare antar att rum-tiden är fixerad, säger den förra att den förändras i närvaro av massiva föremål. Eftersom experiment för att avgöra vilken beskrivning som är korrekt är extremt svåra att utföra, förblir en teori om kvantgravitation utom räckhåll trots mycket teoretiska ansträngningar inom områden som strängteori och loop-kvantgravitation.

Meissner-staten fältutvisning

I det nya arbetet, som redovisas i Vetenskapliga framsteg, fysiker Tjerk Oosterkamp of Leiden University i Nederländerna, tillsammans med kollegor på Southampton University, Storbritannien och Italien Institutet för fotonik och nanoteknik, undersökte gränsen mellan gravitation och kvantmekanik genom att studera gravitationens dragkraft på en magnetisk partikel med en massa på bara 0.43 milligram – nära gränsen där kvanteffekter börjar uppträda. För att utföra sin studie fångade de partikeln i ett magnetfält som genereras genom att ström passerar genom ledningar som blir supraledande vid temperaturer under 100 millikelvin. Det resulterande magnetfältets "landskap" får partikeln att sväva tack vare en välkänd supraledande effekt känd som Meissner-tillståndsfältutdrivning där fältet som uppstår från strömmar i supraledaren helt motsätter sig partikelns eget magnetfält.

När partikeln väl svävade, mätte forskarna mycket små förändringar i magnetfältet som uppstår när den rör sig runt sin massa. De gjorde detta med hjälp av en integrerad DC SQUID-magnetometer samtidigt som de kontinuerligt justerade frekvensen för den magnetiska fångstpotentialen. Detta gjorde det möjligt för dem att karakterisera amplituden av partikelns rörelse som en funktion av dessa frekvensskiftningar.

Dämpa vibrationer

Forskarna skapade sedan en gravitationsstörning genom att rotera ett tungt hjul precis utanför kylskåpet, eller kryostaten, som innehöll experimentet. Hjulets rotationsfrekvens avstämdes för att excitera en av vibrationsfrekvenserna för den svävande partikeln. Men innan de kunde mäta förändringar i partikelns rörelse på grund av denna gravitationsstörning, var Oosterkamp och kollegor först tvungna att se till att andra saker som kunde få partikeln i rörelse – som vibrationer som kommer från kompressorn och pumpar som ansvarar för att kyla supraledaren – var mycket väl undertryckt.

"Det visade sig vara den mest pressande utmaningen i vårt experiment", förklarar Oosterkamp, ​​"men när vi väl hade lyckats med detta visade sig rörelsen hos partikeln som fanns kvar vara så liten att den stördes av gravitationen - och vi kunde faktiskt mäta detta."

Skjuta gränserna

Oosterkamp och kollegor hade ursprungligen för avsikt att använda sin kryostat för att kyla och excitera en mekanisk resonator. "Vi gjorde det här för att försöka bevisa att den kunde vara på två ställen samtidigt - ungefär på samma sätt som en elektron kan vara när den visar störningseffekter som passerar genom två slitsar," förklarar Oosterkamp. "Av interferensen drar man slutsatsen att elektronen är en våg och går genom båda slitsarna samtidigt. För vårt experiment, som fortfarande har en lång väg att gå, har vi arbetat med att isolera vibrationer för att kyla ner en kraftsensor för att observera samma typ av effekt för en liten mekanisk resonator.”

Dessa initiala experiment gick så bra, minns han, att de frågade sig själva: vilken är den minsta kraft de kunde utöva på partikeln i sin uppställning för att demonstrera experimentets känslighet? "När vi insåg att gravitationsmätningar var inom räckhåll var vi särskilt motiverade", minns Oosterkamp.

Experimentet måste vara ännu känsligare

Nästa steg, säger Oosterkamp, ​​är att föra gravitations- och kvanteffekter ännu närmare varandra. "Att kunna mäta gravitationskraften från en partikel som finns på två ställen samtidigt skulle vara mycket önskvärt, men vi måste göra vårt experiment ännu mer känsligt för att göra detta och göra mätningar på tyngre föremål som visar kvanteffekter - som superposition och förveckling, till exempel, säger han.

För detta ändamål arbetar forskarna med att byta ut hjulet utanför deras kryostat med ett liknande hjul eller propeller inuti. "Istället för ett hjul med kilogramstora block på och placerade 30 cm från sensorn, hoppas vi kunna göra milligrammassor på en propeller som är bara en centimeter bort", säger Oosterkamp.

Teamet försöker också isolera externa vibrationer i sitt experiment ytterligare och göra deras system kallare. "Dessa åtgärder kan förbättra mätkänsligheten med 100 gånger", säger Oosterkamp.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden