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Prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein, les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps générées par certains mouvements d'objets massifs. Ils sont importants à étudier car ils nous permettent de détecter des événements dans l'univers qui, autrement, laisseraient peu ou pas de lumière observable, comme les collisions de trous noirs.
En 2015, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) et les collaborations Virgo ont réalisé la première observation directe des ondes gravitationnelles. Les ondes ont été émises par une collision vieille de 1,3 milliard d'années entre deux trous noirs supermassifs et ont été détectées à l'aide d'interféromètres optiques de 4 km de long, car l'événement a provoqué des ondulations dans l'espace-temps de la Terre.
Des chercheurs de l'UCL, Université de Groningue, et l'Université de Warwick proposent un détecteur basé sur la technologie quantique qui est 4000 fois plus petit que les détecteurs actuellement utilisés et pourrait détecter les ondes gravitationnelles à moyenne fréquence.
L'étude, publié aujourd'hui dans Nouveau Journal de Physique , détaille comment les technologies quantiques de pointe et les techniques expérimentales peuvent être utilisées pour construire un détecteur capable de mesurer et de comparer la force de la gravité à deux endroits en même temps.
Cela fonctionnerait en utilisant des cristaux de diamant à l'échelle nanométrique pesant 10 -17 kg. Les cristaux seraient placés dans une superposition spatiale quantique par interférométrie Stern-Gerlach. La superposition spatiale est un état quantique où les cristaux existent à deux endroits différents en même temps.
La mécanique quantique permet d'avoir un objet, aussi gros, être délocalisé spatialement en deux endroits différents à la fois. Bien qu'il soit contre-intuitif et en conflit direct avec notre expérience quotidienne, le principe de superposition de la mécanique quantique a été vérifié expérimentalement à l'aide de neutrons, électrons, ions et molécules.
Auteur correspondant Ryan Marshman (UCL Physique &Astronomie et UCLQ), a déclaré:"Les capteurs gravitationnels quantiques existent déjà en utilisant le principe de superposition. Ces capteurs sont utilisés pour mesurer la gravité newtonienne et constituent des appareils de mesure incroyablement précis. Les masses quantiques utilisées par les capteurs gravitationnels quantiques actuels sont beaucoup plus petites comme les atomes, mais les travaux expérimentaux font progresser les nouvelles techniques d'interférométrie nécessaires pour faire fonctionner notre appareil pour étudier les ondes gravitationnelles.
"Nous avons découvert que notre détecteur pouvait explorer une gamme de fréquences d'ondes gravitationnelles différente de celle de LIGO. Ces fréquences pourraient n'être disponibles que si les scientifiques construisent de grands détecteurs dans l'espace avec des lignes de base de plusieurs centaines de milliers de kilomètres."
L'équipe envisage que leur détecteur plus petit proposé pourrait être utilisé pour construire un réseau de détecteurs qui seraient capables de détecter les signaux d'ondes gravitationnelles à partir du bruit de fond. Ce réseau serait également potentiellement utile en donnant des informations précises sur la localisation des objets qui créent les ondes gravitationnelles.
Coauteur, Professeur Sougato Bose (UCL Physique &Astronomie et UCLQ), a déclaré : « Alors que le capteur que nous avons proposé est ambitieux dans sa portée, il ne semble pas y avoir d'obstacle fondamental ou insurmontable à sa création à l'aide des technologies actuelles et futures.
"Tous les éléments techniques pour réaliser ce détecteur ont été réalisés individuellement dans différentes expériences à travers le monde :les forces nécessaires, la qualité du vide requis, la méthode pour placer les cristaux en superposition. La difficulté viendra de tout assembler et de s'assurer que la superposition reste intacte."
La prochaine étape consiste pour l'équipe à collaborer avec des expérimentateurs pour commencer à construire des prototypes de l'appareil. Surtout, la même classe de détecteurs peut également contribuer à détecter si la gravité est une force quantique, comme le montrent des travaux récents à l'UCL et ailleurs.
Ryan Marshman a déclaré:"En effet, notre ambition initiale était de développer l'appareil pour explorer la gravité non classique. Mais, car ce serait un effort considérable pour réaliser un tel dispositif, nous avons pensé qu'il était vraiment important d'examiner l'efficacité d'un tel appareil également pour mesurer la gravité classique très faible telle que les ondes gravitationnelles et avons découvert qu'il est prometteur !"