Новый датчик для лучшего обнаружения гравитационных волн
Команда из Университета Западной Австралии, специализирующаяся на гравитационных волнах, возглавила разработку нового, очень высокочувствительного лазерного датчика собственных мод. Их устройство может быть использовано в существующих детекторах гравитационных волн (LIGO, Virgo и др.) для проверки фундаментальных ограничений общей теории относительности.
Интерферометры, такие как LIGO, Virgo или KAGRA, состоят из двух перпендикулярных рукавов одинаковой длины (и кратной определенной длине волны). Лазерный луч этой длины волны разделяется на два луча, так что каждый из них распространяется через одно из плеч интерферометра и затем отражается в конце через зеркало (что создает интерференцию). Прохождение гравитационной волны изменяет оптические пути лазера, что в свою очередь изменяет интерференционную картину.
Однако используемая пара зеркал имеет крошечные искажения, которые рассеивают свет в сторону от идеальной формы лазерного луча. Это рассеяние может вызвать избыточный шум в детекторе, ограничивая его чувствительность, что в конечном итоге приведет к выводу прибора из эксплуатации, объясняет д-р Аарон Джонс, научный сотрудник Центра передового опыта по обнаружению гравитационных волн Университета Западной Австралии (UWA). Поэтому Джонс и его коллеги поставили перед собой задачу разработать новый метод измерения для обнаружения этих небольших, ограничивающих пульсации мощности.
Высокочувствительный метаповерхностный датчик
Лазеры поддерживают определенные структуры света, называемые «собственными модами». Команда под руководством Джонса, в которую входят специалисты по гравитационным волнам, метаповерхностям и фотонике, разработала новый метод измерения количества этих собственных мод с беспрецедентной чувствительностью.
Оказалось, что телекоммуникационная отрасль сталкивается с такой же проблемой, поскольку ученые исследуют, как использовать несколько собственных мод для передачи большего количества данных в оптическом волокне. Для этого они разработали относительно простое устройство для измерения собственных мод, но оно недостаточно чувствительно для нужд Джонса и его коллег.
Команда придумала использовать метаповерхность - ультратонкую искусственную поверхность со специфическим рисунком, вытравленным на субволновой шкале, состоящую из трех слоев: двух слоев золота, разделенных слоем диоксида кремния. Согласно исследованию, опубликованному в журнале , разработанное ими демонстрационное устройство было более чем в тысячу раз чувствительнее, чем оригинальное устройство, разработанное учеными в области телекоммуникаций.
Настоящий прорыв в обнаружении гравитационных волн
"Флуктуация модального взвешивания 6×10-7 была измерена с усреднением за 1 секунду при частоте Фурье 80 Гц", — сообщают исследователи. Другими словами, флуктуация модального взвешивания на частоте 80 Гц может быть измерена до 0,6 ppm с отношением сигнал/шум 1 и средним значением 1 секунды. Это соответствует улучшению более чем на три порядка по сравнению с современным уровнем техники в модовой декомпозиции на основе голограмм, таких как пространственные модуляторы света. Это улучшение связано с уменьшением перекрестной связи между модами, что является результатом чрезвычайно малого размера пикселя метаповерхности.
Профессор Чуннонг Чжао, главный исследователь Центра передового опыта UWA по обнаружению гравитационных волн, сказал, что эта разработка является новым шагом вперед в обнаружении и анализе информации о гравитационных волнах. "Решение проблемы обнаружения мод в будущих детекторах гравитационных волн имеет важное значение, если мы хотим понять внутренности нейтронных звезд и углубить наши наблюдения за Вселенной так, как это никогда не было возможно раньше", — сказал он.
Современные интерферометры способны обнаруживать крошечные изменения расстояния. Например, первая гравитационная волна, обнаруженная в сентябре 2015 года LIGO, была связана со смещением порядка 10-18 метров (в тысячу раз меньше размера протона!). Благодаря новому устройству для измерения метаповерхности они смогут получить еще более точную информацию о содержании мод, что позволит им повысить чувствительность.