Двое австралийских ученых из университета Западной Австралии (University of Western Australia), доктор Максим Горячев (Maxim Goryachev) и профессор Майкл Тобэр (Michael Tobar), создали настольную экспериментальную установку, сердцем которой является крошечный датчик, способный выполнить ту же самую работу, что и достаточно громоздкое оборудование более масштабных экспериментов, к примеру, эксперимента Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). А предназначен этот датчик и установка в целом для детектирования и измерения параметров гравитационных волн, которые, согласно общей теории относительности Эйнштейна, являются рябью пространственно-временного континуума, рожденной движением сверхмассивных космических объектов.
Резонансно-массовые датчики, используемые в экспериментах по обнаружению гравитационных волн, представляют собой прямоугольные металлические детали, весом около одной тонны. Такие размеры и масса обуславливают чувствительность этих датчиков в диапазоне нескольких килогерц. Однако, крошечные колебания, вызванные прохождением гравитационных волн в других диапазонах, невероятно сложно детектировать из-за высокого уровня тепловых шумом самого материала этих датчиков.
Доктор Горячев и профессор Тобэр обошли эту проблему, уйдя в более высокочастотную область работы измерительного устройства, в диапазон от 1 до 1000 Мгц. Работая при температуре, на 0.01 градуса выше точки абсолютного нуля, датчик новой установки работает в квантовом режиме, т.е. при максимально возможном низком уровне собственного теплового шума.
Датчиком является кварцевый диск, диаметром около 2.5 сантиметров, подвешенный на кварцевой подвеске и помещенный в вакуумную камеру. “Пролетающая” мимо гравитационная волна заставляет кварцевый диск вибрировать, создавая стоячие звуковые волны внутри материала диска, толщина которого равна 2 миллиметрам.
Верхняя поверхность кварцевого диска имеет небольшой радиус изгиба. Этот изгиб выступает в роли ловушки для квантов звуковых колебаний, фононов. Скопление фононов в одном месте позволяет получить большее значение соотношения сигнал/шум. А электрический колебательный сигнал, выработанный кварцевым резонатором – диском, усиливается малошумящим квантовым усилителем Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), работающим за счет эффекта сверхпроводимости.
Изучив и научившись фильтровать все известные источники шумов и помех, ученые собираются достичь максимальной чувствительности их квантового датчика в диапазоне изменения гравитации на уровне 10^-22 от квадратного корня каждого герца частоты колебаний, значения которое собираются получить ученые нового эксперимента Advanced LIGO, который начнет работу в 2018 году. Advanced LIGO – это очередная модернизация двух американских датчиков LIGO, при помощи которых производится поиск гравитационных волн. Эти огромные датчики смогут обнаружить гравитационные колебания в диапазоне от 0.1 до 1000 Гц, которые создаются двойными нейтронными звездами или сталкивающимися черными дырами.