Detekteringen av gravitationsvågor är en av de mest betydande prestationerna inom modern fysik. Under 2017 upptäcktes gravitationsvågor från sammanslagning av en binär neutronstjärna för första gången som avslöjade avgörande information om vårt universum, från uppkomsten av korta gammastrålningsskurar till bildandet av tunga grundämnen.
Att upptäcka gravitationsvågor som kommer från rester efter sammanslagningen har dock förblivit svårfångade på grund av att deras frekvensområde ligger utanför området för moderna gravitationsvågsdetektorer (GWD). Dessa svårfångade vågor har viktiga insikter om neutronstjärnornas inre struktur, och eftersom dessa vågor kan observeras en gång med några decennier av moderna GWD, finns det ett akut behov av nästa generations GWD.
Ett sätt att öka känsligheten hos GWD är signalförstärkning med hjälp av en optisk fjäder. Optiska fjädrar, till skillnad från sina mekaniska motsvarigheter, utnyttjar strålningstryckkraften från ljus för att efterlikna fjäderliknande beteende. Styvheten hos optiska fjädrar, såsom i GWDs, bestäms av ljusstyrkan i den optiska kaviteten. En förbättring av resonansfrekvensen hos optiska fjädrar kräver således en ökning av ljusstyrkan i hålrummet, vilket dock kan resultera i termiskt skadliga effekter och förhindra att detektorn fungerar korrekt.
För att ta itu med denna fråga utvecklade ett team av forskare från Japan, ledd av docent Kentaro Somiya och Dr. Sotatsu Otabe från Institutionen för fysik vid Tokyo Tech, en banbrytande lösning:den Kerr-förbättrade optiska fjädern.
"En lovande metod för att förbättra effekten av optiska fjädrar utan att öka kraften i hålrummet är signalförstärkning i hålrummet. Denna teknik förbättrar signalförstärkningsförhållandet i hålrummet genom att använda icke-linjära optiska effekter och förbättrar den optiska fjäderkonstanten. Vår forskning visade att den optiska Kerr-effekten är ett lovande tillvägagångssätt för att framgångsrikt använda denna teknik", förklarar prof. Somiya.
Deras resultat publicerades i tidskriften Physical Review Letters .
Denna design involverar generering av intrakavitetssignalförstärkningseffekt i en optomekanisk kavitet av Fabry-Perot-typ genom att sätta in ett Kerr-medium. Kerr-mediet inducerar en optisk Kerr-effekt i kaviteten, i vilken ett optiskt fält ändrar mediets brytningsindex. Detta introducerar en drastisk gradient av strålningstryckkraften i kaviteten, vilket förbättrar den optiska fjäderkonstanten utan att öka kraften inom kaviteten.
Experiment visade att den optiska Kerr-effekten framgångsrikt förbättrar den optiska fjäderkonstanten med en faktor 1,6. Den optiska fjäderns resonansfrekvens ökades från 53 Hz till 67 Hz. Forskarna räknar med ett ännu större signalförstärkningsförhållande med förfining av tekniska problem.
"Den föreslagna designen är lätt att implementera och ger en ny avstämbar parameter för optomekaniska system. Vi tror att demonstrerad teknik kommer att spela en nyckelroll inte bara i GWDs utan även i andra optomekaniska system, till exempel vid kylning av makroskopiska oscillatorer till deras kvantjordtillstånd , säger Dr Otabe.
Sammantaget representerar denna nya optiska fjäderdesign ett betydande steg mot att utnyttja den fulla potentialen hos optomekaniska system såväl som förbättrade GWD:er som kan reda ut mysterierna i vårt universum.
Mer information: Sotatsu Otabe et al, Kerr-Enhanced Optical Spring, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.143602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.18828
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
