Spådd av Einsteins allmänna relativitetsteori, gravitationella vågor är krusningar i rymdtid som genereras av vissa rörelser av massiva föremål. De är viktiga att studera eftersom de tillåter oss att upptäcka händelser i universum som annars skulle lämna lite eller inget observerbart ljus, som kollisioner med svarta hål.

2015, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och Virgo-samarbeten gjorde den första direkta observationen av gravitationella vågor. Vågorna sändes ut från en 1,3 miljarder år gammal kollision mellan två supermassiva svarta hål och detekterades med hjälp av 4 km långa optiska interferometrar eftersom händelsen orsakade krusningar i jordens rymdtid.

Forskare från UCL, University of Groningen, och University of Warwick föreslår en detektor baserad på kvantteknik som är 4000 gånger mindre än de detektorer som för närvarande används och kan detektera mellanfrekventa gravitationsvågor.

Studien, publicerad idag i New Journal of Physics , beskriver hur state-of-the-art kvantteknik och experimentella tekniker kan användas för att bygga en detektor som kan mäta och jämföra tyngdkraften på två platser samtidigt.

Det skulle fungera genom att använda diamantkristaller i nanoskala som väger 10 ^-17 kg. Kristallerna skulle placeras i en kvantlig rumslig superposition med användning av Stern-Gerlach-interferometri. Rumslig superposition är ett kvanttillstånd där kristallerna existerar på två olika platser samtidigt.

Kvantmekanik möjliggör ett objekt, hur stor som helst, att lokaliseras lokalt på två olika platser samtidigt. Trots att det är kontraintuitivt och i direkt konflikt med vår vardagliga upplevelse, kvantmekanikens överlagringsprincip har verifierats experimentellt med hjälp av neutroner, elektroner, joner och molekyler.

Motsvarande författare Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy och UCLQ), sade:"Kvantgravitationssensorer finns redan med hjälp av superpositionsprincipen. Dessa sensorer används för att mäta Newtons gravitation och skapa otroligt noggranna mätinstrument. Kvantmassorna som används av nuvarande kvantgravitationssensorer är mycket mindre som atomer, men experimentellt arbete går framåt med de nya interferometri -teknikerna som behövs för att få vår enhet att fungera för att studera gravitationella vågor.

"Vi fann att vår detektor kunde utforska ett annat frekvensområde för gravitationella vågor jämfört med LIGO. Dessa frekvenser kanske bara är tillgängliga om forskare bygger stora detektorer i rymden med baslinjer som är hundratusentals kilometer stora."

Teamet föreställer sig att deras föreslagna mindre detektor skulle kunna användas för att bygga ett nätverk av detektorer som skulle kunna plocka ut gravitationella vågsignaler från bakgrundsljud. Detta nätverk skulle också vara potentiellt användbart och ge exakt information om platsen för de objekt som skapar gravitationsvågorna.

Medförfattare, Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy och UCLQ), sade:"Även om sensorn vi har föreslagit är ambitiös i sin omfattning, det verkar inte finnas något grundläggande eller oöverstigligt hinder för dess skapande med hjälp av nuvarande och nära framtida teknik.

"Alla tekniska element för att göra denna detektor har förverkligats individuellt i olika experiment runt om i världen:de krafter som krävs, kvaliteten på det vakuum som krävs, metoden för att placera kristallerna i superposition. Svårigheten kommer att få ihop allt och se till att superpositionen förblir intakt. "

Nästa steg är att teamet samarbetar med experimenter för att börja bygga prototyper av enheten. Viktigt, samma klass av detektorer kan också bidra till att upptäcka om gravitation är en kvantkraft, som visas i det senaste arbetet vid UCL och på andra håll.

Ryan Marshman sa:"Vår första ambition var faktiskt att utveckla enheten för att utforska icke -klassisk tyngdkraft. Men, eftersom det skulle vara en stor ansträngning att förverkliga en sådan anordning, vi tyckte att det var riktigt viktigt att undersöka effekten av en sådan apparat också för att mäta mycket svag klassisk gravitation, såsom gravitationella vågor, och fick reda på att det är lovande! "