Predito pela teoria geral da relatividade de Einstein, ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo geradas por certos movimentos de objetos massivos. Eles são importantes para estudar porque nos permitem detectar eventos no universo que, de outra forma, deixariam pouca ou nenhuma luz observável, como colisões de buracos negros.

Em 2015, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e as colaborações de Virgem fizeram a primeira observação direta das ondas gravitacionais. As ondas foram emitidas a partir de uma colisão de 1,3 bilhão de anos entre dois buracos negros supermassivos e foram detectadas usando interferômetros ópticos de 4 km, pois o evento causou ondulações no espaço-tempo da Terra.

Pesquisadores da UCL, Universidade de Groningen, e a University of Warwick propõem um detector baseado em tecnologia quântica que é 4000 vezes menor do que os detectores atualmente em uso e pode detectar ondas gravitacionais de média freqüência.

O estudo, publicado hoje em New Journal of Physics , detalha como as tecnologias quânticas de ponta e técnicas experimentais podem ser usadas para construir um detector capaz de medir e comparar a força da gravidade em dois locais ao mesmo tempo.

Funcionaria usando cristais de diamante em escala nano pesando 10 ^-17 kg. Os cristais seriam colocados em uma superposição espacial quântica usando interferometria de Stern-Gerlach. A superposição espacial é um estado quântico em que os cristais existem em dois lugares diferentes ao mesmo tempo.

A mecânica quântica permite um objeto, por maior que seja, ser espacialmente deslocado em dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Apesar de ser contra-intuitivo e em conflito direto com nossa experiência cotidiana, o princípio de superposição da mecânica quântica foi verificado experimentalmente usando nêutrons, elétrons, íons e moléculas.

Autor correspondente Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy and UCLQ), disse:"Já existem sensores gravitacionais quânticos usando o princípio de superposição. Esses sensores são usados ​​para medir a gravidade newtoniana e são dispositivos de medição incrivelmente precisos. As massas quânticas usadas pelos sensores gravitacionais quânticos atuais são muito menores, como átomos, mas o trabalho experimental está progredindo nas novas técnicas de interferometria necessárias para fazer nosso dispositivo funcionar no estudo das ondas gravitacionais.

"Descobrimos que nosso detector poderia explorar uma gama diferente de frequências de ondas gravitacionais em comparação com o LIGO. Essas frequências só poderiam estar disponíveis se os cientistas construíssem grandes detectores no espaço com linhas de base com centenas de milhares de quilômetros de tamanho."

A equipe prevê que o detector menor proposto poderia ser usado para construir uma rede de detectores que seriam capazes de captar sinais de ondas gravitacionais do ruído de fundo. Essa rede também seria potencialmente útil, fornecendo informações precisas sobre a localização dos objetos que estão criando as ondas gravitacionais.

Coautor, Professor Sougato Bose (UCL Física e Astronomia e UCLQ), disse:"Embora o sensor que propomos seja ambicioso em seu escopo, não parece haver nenhum obstáculo fundamental ou intransponível para sua criação usando tecnologias atuais e futuras próximas.

"Todos os elementos técnicos para fazer este detector foram realizados individualmente em diferentes experimentos ao redor do mundo:as forças necessárias, a qualidade do vácuo necessária, o método para colocar os cristais em sobreposição. A dificuldade virá em colocar tudo junto e garantir que a sobreposição permaneça intacta. "

A próxima etapa é a equipe colaborar com experimentalistas para começar a construir protótipos do dispositivo. Mais importante, a mesma classe de detectores também pode contribuir para detectar se a gravidade é uma força quântica, conforme mostrado em um trabalho recente na UCL e em outros lugares.

Ryan Marshman disse:"Na verdade, nossa ambição inicial era desenvolver o dispositivo para explorar a gravidade não clássica. Mas, uma vez que seria um esforço considerável realizar tal dispositivo, pensamos que era realmente importante examinar a eficácia de tal dispositivo também para medir gravidades clássicas muito fracas, como ondas gravitacionais, e descobrimos que é promissor! "