Em vez dos observatórios de quilômetros de extensão atuais, os futuros detectores de ondas gravitacionais podem ter apenas alguns metros de comprimento. Esse é o objetivo dos físicos no Reino Unido e na Holanda, que propuseram um projeto para um interferômetro de ondas de matéria que dependeria da superposição de objetos minúsculos, como cristais de diamante, em vez de raios laser. Eles dizem que o dispositivo seria sensível a ondas gravitacionais de baixa e média frequência.
As ondas gravitacionais foram observadas diretamente diretamente em 2015, quando o observatório LIGO nos EUA captou a emissão de um par de buracos negros em fusão. Esses buracos negros transmitem uma série de ondulações no espaço-tempo que causam os pares de braços perpendiculares que compõem os interferômetros do LIGO submetidos a uma série de minúsculas expansões e contrações. Essas pequenas mudanças foram registradas como variações na interferência entre os raios laser enviados ao longo dos braços.
Tais observatórios baseados em laser, no entanto, são muito grandes. Uma onda gravitacional passageira normalmente induz mudanças de comprimento fracionário da ordem de 10 a 19 ou menos, o que significa que os braços do detector devem ter vários quilômetros de comprimento para que a instalação produza um sinal razoável acima das muitas fontes de ruído de fundo. No caso do LIGO, cada braço se estende por 4 km.
Minúsculo comprimento de onda
O trabalho mais recente propõe um tipo muito menor de observatório, baseado em feixes de matéria que interferem, e não em luz. As partículas em questão teriam uma massa de cerca de 10 a 17 kg, correspondendo a um comprimento de onda de De Broglie de 10 a 17 m. Isso é cerca de 100 bilhões de vezes menor que o comprimento de onda da luz do laser usado nos observatórios existentes e pode ser explorado em um interferômetro de apenas 1 m de comprimento.
O esquema foi apresentado por Sougato Bose, Ryan Marshman e colegas da University College London, juntamente com pesquisadores das universidades de Groningen e Warwick. Envolve um interferômetro de Stern-Gerlach e cristais do tamanho de nanômetros contendo rotações incorporadas. Embora vários tipos de cristais possam fazer o trabalho, os pesquisadores sugerem diamante contendo um spin center de vacância de nitrogênio – um sistema já usado para fabricar computadores quânticos spin-qubit.
O dispositivo ainda precisa ser construído, mas envolveria prender, descarregar e resfriar os cristais antes de usar microondas para colocar seus spins em uma superposição de spin-0 e spin-1. Liberados da armadilha e expostos a um gradiente de campo magnético adequado, os dois estados de rotação se separariam no espaço para que o componente spin-0 avance horizontalmente enquanto a parte spin-1 segue uma trajetória parabólica. Após uma certa distância, os dois estados de rotação se encontrariam novamente.
Estados separados por rotação
Bose e colegas desenvolveram originalmente esse tipo de interferometria para fazer medições muito precisas da aceleração gravitacional para estudar o caráter quântico da gravidade. A idéia é que os estados separados por rotação experimentem diferentes acelerações, conforme seguem diferentes caminhos através do campo gravitacional. Isso resulta em uma diferença de fase entre eles na extremidade oposta, que pode ser medida contando a abundância relativa de estados de rotação em um determinado número de execuções.
No entanto, os pesquisadores perceberam que o dispositivo poderia, em princípio, ser sensível o suficiente para detectar também ondas gravitacionais. Nesse caso, uma onda altera a separação espacial dos dois caminhos à medida que passa pelo aparelho – resultando em uma oscilação sinusoidal da diferença de fase dos estados de rotação.
Bose e colegas dizem que seu dispositivo teria várias vantagens significativas em comparação aos interferômetros a laser. Como a diferença de fase se acumula apenas enquanto os cristais atravessam o interferômetro, o sinal de saída seria independente de qualquer ruído térmico, sísmico ou outro ruído que ocorra antes de as partículas serem colocadas em superposição. Além disso, a ausência de medições de posição baseadas em laser remove o ruído da pressão de radiação, enquanto o conhecimento exato sobre o número de nanopartículas no interferômetro evita o ruído do tiro.
Subterrâneo ou no espaço
Os pesquisadores dizem que seu interferômetro – com talvez várias cópias operando em paralelo – seria mais sensível a ondas gravitacionais de frequência relativamente baixa. Localizados no subsolo, eles dizem que poderia cobrir parte da faixa a ser atingida pelo observatório espacial LISA – cerca de 10 a 6 Hz a 10 Hz. Se operado no espaço, deve poder cobrir todo o território proposto pela LISA.
Shimon Kolkowitz, da Universidade de Wisconsin-Madison, nos EUA, ressalta que muitas outras propostas baseadas na interferometria de ondas de matéria usam átomos para detectar a fase do laser em vez das próprias ondas gravitacionais. A nova abordagem é, portanto, mais direta, diz ele, mas também mais arriscada. “[É] baseado em uma tecnologia que ainda precisa ser realizada e que exigirá grandes avanços técnicos”, diz ele. “Mas pode ser bastante impactante.”
Bose diz que ele e seus colegas estão confiantes de que podem superar todos os obstáculos técnicos. Em particular, eles procuram criar um grande gradiente de campo magnético sem ter que gerar um campo particularmente alto – ativando sequencialmente uma série de nanotubos de carbono planos em uma formação escalonada para aproximar a trajetória parabólica de uma partícula. Procurando construir um protótipo em pequena escala dentro de uma década, ele “otimista” estima que o custo de qubits confiáveis no estado sólido e um interferômetro atômico em grande escala podem chegar a dezenas de milhões.
Publicado em 07/07/2020 17h55
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: