Der Nachweis von Gravitationswellen gilt als eine der bedeutendsten Errungenschaften der modernen Physik. Im Jahr 2017 wurden erstmals Gravitationswellen aus der Verschmelzung eines binären Neutronensterns entdeckt, die entscheidende Informationen über unser Universum ans Licht brachten, vom Ursprung kurzer Gammastrahlenausbrüche bis zur Entstehung schwerer Elemente.
Der Nachweis von Gravitationswellen, die aus Überresten nach der Fusion entstehen, ist jedoch bislang schwer zu erfassen, da ihr Frequenzbereich außerhalb des Bereichs moderner Gravitationswellendetektoren (GWDs) liegt. Diese schwer fassbaren Wellen liefern wichtige Einblicke in die innere Struktur von Neutronensternen, und da diese Wellen alle paar Jahrzehnte von modernen GWDs beobachtet werden können, besteht ein dringender Bedarf an GWDs der nächsten Generation.
Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit von GWDs zu erhöhen, ist die Signalverstärkung mithilfe einer optischen Feder. Im Gegensatz zu ihren mechanischen Gegenstücken nutzen optische Federn die Strahlungsdruckkraft des Lichts, um ein federähnliches Verhalten nachzuahmen. Die Steifigkeit optischer Federn, beispielsweise bei GWDs, wird durch die Lichtleistung im optischen Hohlraum bestimmt. Daher erfordert die Erhöhung der Resonanzfrequenz optischer Federn eine Erhöhung der Lichtleistung innerhalb des Hohlraums, was jedoch zu thermisch schädlichen Auswirkungen führen und die ordnungsgemäße Funktion des Detektors beeinträchtigen kann.
Um dieses Problem anzugehen, entwickelte ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Kentaro Somiya und Dr. Sotatsu Otabe vom Fachbereich Physik der Tokyo Tech eine bahnbrechende Lösung: die Kerr-verstärkte optische Feder.
„Eine vielversprechende Methode, um die Wirkung optischer Federn zu verstärken, ohne die Leistung innerhalb des Hohlraums zu erhöhen, ist die Signalverstärkung innerhalb des Hohlraums. Diese Technik erhöht das Signalverstärkungsverhältnis des Hohlraums durch die Nutzung nichtlinearer optischer Effekte und erhöht die optische Federkonstante. Unsere Forschung ergab, dass die optische „Der Kerr-Effekt ist ein vielversprechender Ansatz für den erfolgreichen Einsatz dieser Technik“, erklärt Prof. Somiya.
Ihre Erkenntnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Dieses Design beinhaltet die Erzeugung eines intrakavitätsinternen Signalverstärkungseffekts in einem optomechanischen Hohlraum vom Fabry-Perot-Typ durch Einsetzen eines Kerr-Mediums. Das Kerr-Medium induziert im Hohlraum einen optischen Kerr-Effekt, bei dem ein optisches Feld den Brechungsindex des Mediums ändert. Dies führt zu einem drastischen Gradienten der Strahlungsdruckkraft im Hohlraum und erhöht die optische Federkonstante, ohne die Leistung innerhalb des Hohlraums zu erhöhen.
Experimente ergaben, dass der optische Kerr-Effekt die optische Federkonstante erfolgreich um den Faktor 1,6 erhöht. Die Resonanzfrequenz der optischen Feder wurde von 53 Hz auf 67 Hz erhöht. Die Forscher rechnen mit einem noch größeren Signalverstärkungsverhältnis bei Verfeinerung technischer Aspekte.
„Das vorgeschlagene Design ist einfach zu implementieren und bietet einen neuartigen einstellbaren Parameter für optomechanische Systeme. Wir glauben, dass die demonstrierte Technik nicht nur bei GWDs, sondern auch bei anderen optomechanischen Systemen eine Schlüsselrolle spielen wird, beispielsweise bei der Kühlung makroskopischer Oszillatoren auf ihren Quantengrundzustand.“ „, sagt Dr. Otabe.
Insgesamt stellt dieses neuartige optische Federdesign einen bedeutenden Schritt hin zur Nutzung des vollen Potenzials optomechanischer Systeme sowie verbesserter GWDs dar, die in der Lage sind, die Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln.
Mehr Informationen:
Sotatsu Otabe et al., Kerr-Enhanced Optical Spring, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.143602. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2310.18828