Физики из Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского технологического института предложили создать компактный квантовый сенсор для обнаружения эффекта увлечения инерциальных систем (frame dragging). Это явление, предсказанное общей теорией относительности Эйнштейна, заключается в том, что массивный вращающийся объект буквально «закручивает» вокруг себя ткань пространства-времени.
Если устройство будет построено, оно сможет измерять этот эффект с точностью, сопоставимой с лучшими спутниковыми миссиями, но за считанные минуты вместо нескольких лет. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Проблема спутниковых измерений
До сих пор эффект увлечения инерциальных систем вокруг Земли фиксировали только из космоса. Например, спутник NASA Gravity Probe B в 2011 году подтвердил предсказания Эйнштейна с погрешностью около 18%. Позже лазерное отслеживание спутника LARES-2 позволило снизить ошибку до 0,2%, однако для этого потребовалось около трех лет наблюдений.
Спутниковые методы осложняются тем, что Земля имеет форму эллипсоида и неравномерное распределение массы. Эти гравитационные аномалии влияют на движение аппаратов сильнее, чем само увлечение пространства-времени, поэтому ученым приходится использовать сложные карты гравитации для фильтрации помех.
Принцип работы квантового устройства
Предложенный прибор представляет собой кольцо из сверхтекучего гелия-4, охлажденного до температур, при которых он течет без трения и ведет себя как единый квантовый объект. Кольцо разделено тонким барьером с микроскопическими отверстиями — так называемым джозефсоновским переходом.
Вращение Земли и сопутствующее ему искажение пространства-времени влияют на квантовое состояние гелия, проходящего через этот переход. Это вызывает сдвиг частоты колебаний жидкости в кольце, который и будет фиксировать датчик.
Технические вызовы и перспективы
Ключевым открытием команды стал анализ теплового шума: исследователи выяснили, что при температурах в несколько тысячных долей градуса выше абсолютного нуля (милликельвины) чувствительность прибора резко возрастает.
Однако для реализации проекта требуются новые материалы. Предыдущие устройства использовали отверстия шириной 90 нанометров, но для работы при сверхнизких температурах нужны поры размером около 1 нанометра — примерно с один атом гелия. В настоящее время физики из Caltech работают над созданием таких материалов.
По расчетам ученых, прибор сможет достичь точности в 0,2% примерно за 35 минут. Если же использовать для вибрирующей мембраны кристаллы с минимальными потерями (например, сапфир или кварц), время измерения может сократиться до одной секунды.
