Predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein, Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo generate da certi movimenti di oggetti massicci. Sono importanti da studiare perché ci permettono di rilevare eventi nell'universo che altrimenti lascerebbero poca o nessuna luce osservabile, come le collisioni di buchi neri.

Nel 2015, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e le collaborazioni Virgo hanno effettuato la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali. Le onde sono state emesse da una collisione di 1,3 miliardi di anni tra due buchi neri supermassicci e sono state rilevate utilizzando interferometri ottici lunghi 4 km poiché l'evento ha causato increspature nello spazio-tempo della Terra.

Ricercatori dell'UCL, Università di Groninga, e l'Università di Warwick propongono un rivelatore basato sulla tecnologia quantistica che è 4000 volte più piccolo dei rivelatori attualmente in uso e potrebbe rilevare onde gravitazionali a media frequenza.

Lo studio, pubblicato oggi in Nuovo Giornale di Fisica , spiega in dettaglio come le tecnologie quantistiche e le tecniche sperimentali all'avanguardia possono essere utilizzate per costruire un rivelatore in grado di misurare e confrontare la forza di gravità in due luoghi contemporaneamente.

Funzionerebbe utilizzando cristalli di diamante su scala nanometrica del peso di 10 ^-17 kg. I cristalli sarebbero posti in una sovrapposizione spaziale quantistica usando l'interferometria di Stern-Gerlach. La sovrapposizione spaziale è uno stato quantistico in cui i cristalli si trovano in due luoghi diversi contemporaneamente.

La meccanica quantistica consente un oggetto, per quanto grande, essere spazialmente delocalizzati in due luoghi diversi contemporaneamente. Nonostante sia controintuitivo e in diretto conflitto con la nostra esperienza quotidiana, il principio di sovrapposizione della meccanica quantistica è stato verificato sperimentalmente utilizzando neutroni, elettroni, ioni e molecole.

L'autore corrispondente Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy e UCLQ), ha dichiarato:"I sensori gravitazionali quantistici esistono già utilizzando il principio di sovrapposizione. Questi sensori sono utilizzati per misurare la gravità newtoniana e creare dispositivi di misurazione incredibilmente precisi. Le masse quantistiche utilizzate dagli attuali sensori gravitazionali quantistici sono molto più piccole come atomi, ma il lavoro sperimentale sta portando avanti le nuove tecniche di interferometria necessarie per far funzionare il nostro dispositivo per studiare le onde gravitazionali.

"Abbiamo scoperto che il nostro rivelatore potrebbe esplorare una diversa gamma di frequenze delle onde gravitazionali rispetto a LIGO. Queste frequenze potrebbero essere disponibili solo se gli scienziati costruissero grandi rivelatori nello spazio con linee di base di centinaia di migliaia di chilometri".

Il team prevede che il rivelatore più piccolo proposto potrebbe essere utilizzato per costruire una rete di rivelatori in grado di rilevare i segnali delle onde gravitazionali dal rumore di fondo. Questa rete sarebbe anche potenzialmente utile per fornire informazioni precise sulla posizione degli oggetti che stanno creando le onde gravitazionali.

Coautore, Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy e UCLQ), ha dichiarato:"Mentre il sensore che abbiamo proposto è ambizioso nella sua portata, non sembra esserci alcun ostacolo fondamentale o insormontabile alla sua creazione utilizzando le tecnologie attuali e future.

"Tutti gli elementi tecnici per realizzare questo rivelatore sono stati realizzati individualmente in diversi esperimenti in tutto il mondo:le forze richieste, la qualità del vuoto richiesta, il metodo per posizionare i cristalli in sovrapposizione. La difficoltà verrà nel mettere tutto insieme e assicurarsi che la sovrapposizione rimanga intatta".

Il prossimo passo è che il team collabori con gli sperimentatori per iniziare a costruire prototipi del dispositivo. È importante sottolineare che la stessa classe di rivelatori può anche contribuire a rilevare se la gravità è una forza quantistica, come mostrato in un recente lavoro presso l'UCL e altrove.

Ryan Marshman ha dichiarato:"In effetti la nostra ambizione iniziale era sviluppare il dispositivo per esplorare la gravità non classica. Ma, poiché sarebbe uno sforzo considerevole realizzare un tale dispositivo, abbiamo pensato che fosse davvero importante esaminare l'efficacia di un tale dispositivo anche per misurare la gravità classica molto debole come le onde gravitazionali e abbiamo scoperto che è promettente!"