Un nou senzor folosește lumina încetinită pentru a detecta forța gravitațională a obiectelor minuscule
Gravitația, forța de atracție dintre obiectele care au masă, este cea mai slabă dintre cele patru forțe fundamentale care guvernează procesele fizice. Detectarea forței gravitaționale minuscule exercitate de obiecte de doar câțiva milimetri dimensiune și cu o masă foarte mică este extrem de dificilă. Măsurarea fiabilă a câmpurilor gravitaționale ale obiectelor microscopice ar putea deschide noi posibilități pentru cercetare și pentru dezvoltarea de noi tehnologii. De exemplu, ar putea permite fizicienilor să exploreze relația dintre gravitație și fizica cuantică și să dezvolte noi instrumente pentru studierea obiectelor minuscule.
Cercetătorii de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai și de la alte instituții au dezvoltat recent un nou senzor care poate detecta forța gravitațională a obiectelor de dimensiunea unui milimetru. Acest senzor, prezentat într-un articol publicat în Nature Nanotechnology, se bazează pe o structură suspendată numită pendul de torsiune și pe o microcavitate optică, o structură care confinează lumina.
Utilizarea luminii încetinite pentru detectarea mișcărilor mici
Noul senzor dezvoltat de cercetători utilizează o structură suspendată care se rotește prin răsucirea suportului său, cunoscută sub numele de pendul de torsiune. Forța gravitațională a unui obiect aflat în apropiere provoacă o mică mișcare în această structură, pe care senzorul echipei o măsoară apoi cu ajutorul unei microcavități optice.
Lumina din interiorul microcavitații este cuplată cu vibrațiile. Răspunsul coordonat dintre pachetele de lumină și cele de energie vibrațională modifică puternic modul în care lumina se propagă prin cavitate.
„Balanțele de torsiune de tip Cavendish pot măsura cu sensibilitate gravitația unor mase sursă mici, dar integrarea lor cu citirea micro- și nanofotonică rămâne dificilă”, au scris Yicheng Zhu, Qi Geng și colegii lor în articolul lor. „Arătăm detectarea forței gravitaționale a unei mase de dimensiunea unui milimetru folosind un pendul de torsiune integrat cu citire prin microcavitate optică.”
Cercetătorii au descoperit că interacțiunea dintre lumină și vibrații în senzorul lor a produs ceea ce ei numesc „comportament de lumină oprită”. În termeni mai simpli, propagarea impulsurilor luminoase încetinește considerabil. Răspunsul optic rezultat face ca mișcările minuscule ale pendulului să producă modificări mai pronunțate în semnalul luminos măsurat.
„O rezonanță cuplată foton–fonon induce un comportament de lumină oprită, reducând viteza de grup la 2.000 m/s și producând o dispersie optică abruptă”, au scris autorii. „Câmpul evanescent cu descompunere exponențială al microcavitații transformă deplasările la scară nanometrică pe o lungime de cuplare de aproximativ 100 nm în semnale optice, mărind astfel sensibilitatea la deplasare.”
Spre măsurători gravitaționale la scară mai mică
Cercetătorii și-au testat senzorul utilizându-l pentru a măsura forța gravitațională a unui obiect de dimensiunea unui milimetru, modificându-i periodic poziția. Au constatat că acesta a detectat cu succes modificări foarte mici ale forței gravitaționale exercitate de obiect asupra pendulului.
„Senzorul atinge o sensibilitate la deplasare de 7,85 pm/√Hz, corespunzând unei sensibilități la accelerație de 3,06 × 10−16 g”, au scris Zhu, Geng și colegii lor. „Prin modularea periodică a poziției masei, rezolvăm o modificare minimă detectabilă a forței gravitaționale de 3,02 × 10−16 N. Această schemă compactă și sensibilă susține detectarea gravitațională microscopică și ar putea permite studii privind natura cuantică a gravitației.”
Acest studiu deschide noi posibilități pentru măsurarea accelerației gravitaționale asociate obiectelor mici. În viitor, ar putea ajuta, de asemenea, la investigarea modului în care starea cuantică a obiectelor le afectează câmpul gravitațional.
