Gravitationsvågsdetektorer har öppnat ett nytt fönster till universum genom att mäta krusningar i rumtiden som produceras av kolliderande svarta hål och neutronstjärnor, men de begränsas i slutändan av kvantfluktuationer inducerade av ljus som reflekteras från speglar. LSU Ph.D. fysikalumnen Jonathan Cripe och hans team av LSU-forskare har genomfört ett nytt experiment med forskare från Caltech och Thorlabs för att utforska ett sätt att avbryta denna kvant-backaction och förbättra detektorernas känslighet.

I en ny tidning i Fysisk granskning X , utredarna presenterar en metod för att ta bort kvant-backaction i ett förenklat system med hjälp av en spegel lika stor som ett människohår och visar att spegelns rörelse minskar i enlighet med teoretiska förutsägelser. Forskningen stöddes av National Science Foundation.

Trots att man använder speglar på 40 kilo för att detektera passerande gravitationsvågor, Ljusets kvantfluktuationer stör speglarnas läge när ljuset reflekteras. När gravitationsvågsdetektorer fortsätter att bli känsligare med inkrementella uppgraderingar, denna kvantåterverkan kommer att bli en grundläggande gräns för detektorernas känslighet, hämmar deras förmåga att extrahera astrofysisk information från gravitationsvågor.

"Vi presenterar en experimentell testbädd för att studera och eliminera quantum backaction, ", sa Cripe. "Vi utför två mätningar av positionen för ett makroskopiskt objekt vars rörelse domineras av kvantbackaction och visar att genom att göra en enkel förändring i mätschemat, vi kan ta bort kvanteffekterna från förskjutningsmätningen. Genom att utnyttja korrelationer mellan fas och intensitet av ett optiskt fält, quantum backaction elimineras."

Garrett Cole, teknikchef på Thorlabs Crystalline Solutions (Crystalline Mirror Solutions förvärvades av Thorlabs Inc. förra året), och hans team konstruerade de mikromekaniska speglarna från ett epitaxiellt flerskikt bestående av alternerande GaAs och AlGaAs. Ett externt gjuteri, IQE North Carolina, växte kristallstrukturen medan Cole och hans team, inklusive processingenjörerna Paula Heu och David Follman, tillverkade enheterna vid University of California Santa Barbaras nanotillverkningsanläggning.

"Genom att utföra denna mätning på en spegel som är synlig för blotta ögat - vid rumstemperatur och vid frekvenser som är hörbara för det mänskliga örat - för vi de subtila effekterna av kvantmekaniken närmare den mänskliga erfarenhetens område, " sa LSU doktorandkandidat Torrey Cullen. "Genom att tysta kvantviskningen, vi kan nu lyssna på de mer subtila tonerna i den kosmiska symfonin."

"Denna forskning är särskilt läglig eftersom Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO, meddelade just förra månaden i Nature att de har sett effekterna av kvantstrålningstryckljud vid LIGO Livingston-observatoriet, sa Thomas Corbitt, docent vid LSU Institutionen för fysik &astronomi.

Ansträngningen bakom den tidningen, "Kvantkorrelationer mellan ljus och kilogram-massaspeglarna i LIGO, "har letts av Nergis Mavalvala, dekanus vid MIT School of Science, samt postdoktorn Haocun Yu och forskaren Lee McCuller, både vid MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

"Kvantumstrålningstryckljud sticker redan ut från bullergolvet i Advanced LIGO, och snart, det kommer att vara en begränsande bruskälla i GW-detektorer, " Sa Mavalvala. "Djupare astrofysiska observationer kommer bara att vara möjliga om vi kan minska det, och detta vackra resultat från Corbitt-gruppen på LSU visar en teknik för att göra just det."