Atominterferometrit paljastavat kosmisen signaalin kohinasta

Kuvittele yrittäväsi kuulla kuiskauksen ukkosmyrskyssä. Sellainen on ongelman mittakaava, jonka kanssa fyysikot kamppailevat etsiessään heikkoja kosmisia signaaleja, kuten pimeän aineen jälkiä tai varhaisen maailmankaikkeuden aaltovärähtelyjä, jotka hautautuvat valtavan instrumenttiäänien alle.

Imperial College Londonin tutkijat AION-yhteistyössä ovat rakentaneet pöytäversion, joka kääntää ongelman päälaelleen. Ajamalla kahta atominterferometriä parina ja lukemalla ne samalla ultrastabiililla laserilla he osoittivat, että yhteinen laserin kohina voidaan vaimentaa, jolloin heikko mutta merkityksellinen signaali säilyy.

Tämän kammiokeskuksen pieni hohtava pallo on atompilvi lähellä absoluuttista nollaa, leijuen sinisen laserin valon varassa. Näitä atomeja jäähdytetään vieläkin enemmän ennen kuin niistä tehdään pieniä sensoreita, jotka kuuntelevat gravitaatioaaltoja ja pimeää ainetta. 

Lyhyitä lauseita nyt. Suuret seuraukset seuraavaksi. Atominterferometrit jakavat ja yhdistävät ultrakylmien atomipilvien tilat valopulssien avulla, muuntaen pienet liikkeen muutokset mitattaviksi vaihe-eroiksi. Kun laitteet ovat kaukana toisistaan ja sama laser mittaa molemmat, laserin värähtely jättää saman virheen kumpaankin mittaukseen. Vertaa kahta tulosta. Yhteinen virhe putoaa pois. Jäljelle jää se, mikä saattaa olla fysiikkaa.

Imperialin ryhmä tahallaan rikkoi kokeen todistaakseen asian. He syöttivät paljon enemmän fasekohinaa kuin tavallinen kellolaseri tuottaa, peittäen kunkin interferometrin niin että yksinään se näytti satunnaiselta häiriöltä. Kuitenkin, kun kaksi lähtöä verrattiin, interferenssi palautui ja mittaus saavutti suunnittelijoiden tavoitteleman kvanttirajoitetun herkkyyden.

Simuloituja mustien aukkojen yhdistymiä havaittavissa maailmankaikkeudessa, nykyisten ja ehdotettujen gravitaatioaaltoilmaisimien ennakoitu herkkyys. Tässä työssä kehitetty atomipohjainen ilmaisinluokka (AION/ AEDGE) saattaa auttaa meitä havaitsemaan keskisuuria mustia aukkoja (IMBH), jotka ovat olleet keskeisiä galaksimme muodostumisessa.

Parinä toimiva interferometrien ratkaisu palautti signaaleja, jotka muuten olisivat menetetty, ja osoitti laserikohinan vaimennuksen realistisissa oloissa.

Tehdäkseen testistä relevantin tuleville laitoksille ryhmä käytti kaukana sijaitsevia ultrakylmiä strontium-87 -atomipilviä ja yhtä ultrastabiilia kellolaseria jäljitelläkseen pitkien peruslinjojen detektoreissa odotettavia haasteita. He lisäsivät jopa värähtelevän signaalin, joka muistutti ohikulkevan gravitaatioaalon tai pimeän aineen kentän tuottamaa. Signaali säilyi. Yksikään interferometri ei yksin kantanut hyödyllistä tietoa, mutta yhdessä ne paljastivat hautautuneen aaltomuodon.

Yksi Imperial-laboratorion laserjärjestelmistä, jota käytettiin atomien jäähdyttämiseen ja niiden kvanttitilan manipulointiin. 

Miksi tällä on merkitystä laboratorion siistin saavutuksen lisäksi? Koska atominterferometrien skaalaaminen kilometrin pituisiksi peruslinjoiksi on keskeistä ehdotuksille, jotka pyrkivät avaamaan uusia ikkunoita maailmankaikkeuteen. Pitkän peruslinjan atomipohjaiset sensorit voisivat tutkia gravitaatioaaltoja taajuuksilla, joita nykyiset laserpohjaiset interferometrit eivät tavoita, ja ne tarjoavat uuden tavan etsiä eksoottisia pimeän aineen ehdokkaita, jotka vuorovaikuttavat atomien kanssa hienovaraisesti.

Imperialin tutkijat viittaavat laajempaan projektiekosysteemiin, josta olisi hyötyä. AION-ponnistus on liittoutunut MAGISin kanssa Fermilabissa ja ehdotusten kuten AICEn kanssa CERNissä, joissa samankaltaiset tekniikat voisivat ulottua huomattavasti pidemmille etäisyyksille. Näiden laitosten rakentaminen vaatii suuritehoisia laseja, jotka säilyvät äärimmäisen tarkkoina, ja menetelmiä hallita kohinaa, joka väistämättä kasvaa mittakaavan myötä.

Kvanttisensorin rakentamiseksi valo on valmisteltava huolellisesti kontrolloituun tilaan, jossa sen taajuus, polarisaatio ja intensiteetti ovat hyvin säädeltyjä. Tässä sinisen valon polarisaatiota muutetaan ennen kuin sitä käytetään jäähdyttämään atomit absoluuttiseen nollaan. 

Teknisiä vuoria on edessä. Intensiivisen, ääripuhdasta valoa tuottaminen ja atomikoherenssin ylläpitäminen pitkien etäisyyksien yli ovat kovia insinöörihaasteita. Mutta tämä periaatekoe poistaa merkittävän käsitteellisen esteen: pelon siitä, että laserivaiheen kohina peittäisi mahdollisen kosmisen signaalin kahden interferometrin arkkitehtuurissa.

Kvanttisensorin rakentamiseksi valo on valmisteltava huolellisesti kontrolloituun tilaan, jossa sen taajuus, polarisaatio ja intensiteetti ovat hyvin säädeltyjä. Tässä punaisen laserin taajuutta muutetaan ennen kuin sitä käytetään jäähdyttämään atomit absoluuttiseen nollaan.

Laboratoriotiimi on optimistinen. Prototyyppi on pieni. Silti se näyttää periaatteen toimivan stressitilanteessa. Se vihjaa myös selkeää reittiä yhdistää atomikellojen herkkyys interferometrien tilallisella ulottuvuudella, luoden ilmaisimia, jotka kuuntelevat taajuuskaistoilla, jotka ovat tällä hetkellä tavoittamattomissa.

Osa suuren mittakaavan kvanttisensorin rakentamisen haasteesta on tuottaa erittäin voimakasta laservaloa, joka on silti erittäin tarkkaa taajuudessaan. Tämä kuva näyttää titaanisafiiirikiteen resonoimassa optisessa kammiossa, tuottaen valoa, joka lähtee jakamaan atomiemme kvanttitilaa. Tässä kuvassa punainen valo on yksi kaikkein puhtaimmista valoista olemassa – se on pelkkää punaista viidenteentoista desimaalin tarkkuuteen.

Mitä voisimme kuulla, kun tämän luokan laitteet ovat tarpeeksi suuria? Mahdollisesti keskisuurten mustien aukkojen yhdistymien tunnusomainen chirp, tai rytmiset värähtelyt kentistä, jotka voisivat olla pimeää ainetta. Tai ehkä mitään tuttua, vaan uusia ilmiöitä, jotka muuttavat käsitystämme aineesta ja painosta.

Se on siisti, inhimillinen tavoite: muuttaa kohina signaaliksi ja antaa maailmankaikkeuden puhua hieman kovemmalla äänellä.