Bild https://www.su.se gravitationsvåg som ger spontan utstrålning och avtryck. Källa: Stockholms universitet.
Gravitationsvågor är krusningar i rumtiden som
produceras av våldsamma kosmiska händelser, såsom sammanslagning av svarta
hål. Hittills har direkta upptäckter förlitat sig på att mäta små
avståndsförändringar med instrument i kilometerskala. I en ny teoretisk studie
som godkänts för publicering i Physical Review Letters föreslår forskare vid
Stockholms universitet, Nordita och Tübingens universitet en okonventionell
metod. Metoden att spåra hur gravitationsvågor omformar ljuset som avges av atomer.
Arbetet beskriver en möjlig upptäcktsväg, men en experimentell demonstration
återstår ännu i framtiden.
När atomer tillförs energi avger de ljus med en karakteristisk frekvens. En kvantprocess som kallas
spontan emission. Detta sker genom interaktion med det kvantmekaniska elektromagnetiska
fältet.
"Gravitationsvågor modulerar kvantfältet,
vilket i sin tur påverkar spontan emission," beskriver Jerzy Paczos, doktorand
vid Stockholms universitet. "Denna modulering kan förskjuta frekvenserna
hos emitterade fotoner."
Forskarteamet förutspår att emissionen blir
riktningsberoende genom att atomer emitterar fotoner i samma takt. Något som är
anledningen till att denna effekt har förbisetts fram till nu. Men fotonfrekvenserna varierar dock med emissionsriktningen. Detta riktade spektrala
mönster antas koda vågens riktning och polarisation och kan hjälpa till att
skilja signalen från brus.
Lågfrekventa gravitationsvågor är ett viktigt mål för framtida rymdbaserade observatorier. Författarna noterar att smala optiska övergångar som används i atomklocksplattformar erbjuder långa interaktionstider vilket potentiellt gör kallatomsystem till en lovande testbädd.
Atomerna avger ljus likt en musikanläggning som håller
en stadig ton. Med skillnaden, att en gravitationsvåg förändrar hur tonen låter i olika
riktningar. "Våra fynd kan öppna vägen mot bättre gravitationsvågsmätning, där den relevanta atomära ensemblen är i
millimeterskala," beskriver Navdeep Arya, postdoktoral forskare vid Stockholms
universitet. "En grundlig bulleranalys är nödvändig för att bedöma
praktisk genomförbarhet, men våra första uppskattningar ser lovande ut."
