Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα ως την καμπύλωση του χωροχρόνου, προβλέποντας παράλληλα ότι ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο, όπως η Γη, παρασύρει ελαφρά μαζί του τον γύρω χωροχρόνο – ένα φαινόμενο γνωστό ως «frame-dragging».
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και το Caltech πρότειναν πρόσφατα τη δημιουργία ενός κβαντικού αισθητήρα ικανού να μετρήσει αυτή τη μικροσκοπική επίδραση σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Η πρόταση περιγράφεται σε επιστημονική μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters και βασίζεται στη χρήση υγρού ήλιου ψυχμένου σε κατάσταση υπερρευστότητας μέσα σε ένα γυροσκόπιο. Η ιδέα γεννήθηκε κατά τη διάρκεια επιστημονικών συζητήσεων και οδήγησε σε συνεργασία θεωρητικών φυσικών με πειραματικούς ερευνητές που κατασκευάζουν συσκευές υπερρευστότητας στο Caltech.
Κβαντικός αισθητήρας: Η αξιοποίηση του υπερρευστού ήλιου για τη μέτρηση της περιστροφής
Σύμφωνα με τη θεωρία, η περιστροφή της Γης προκαλεί μια ελαφρική μεταβολή στον άξονα περιστροφής κοντινών γυροσκοπίων σε σχέση με τα μακρινά αστέρια. Για την ανίχνευση αυτού του φαινομένου, οι επιστήμονες σχεδίασαν έναν αισθητήρα περιστροφής γεμίζοντας έναν κυκλικό σωλήνα με ήλιο-4, το οποίο μετατρέπεται σε υπερρευστό -ένα υγρό δηλαδή που ρέει χωρίς τριβή- όταν ψυχθεί κάτω από τους 2,17 βαθμούς Κέλβιν.
Η ανίχνευση βασίζεται στην καταγραφή αλλαγών στη ροή του υγρού μέσω ενός ειδικού φραγμού με μικροσκοπικούς πόρους, γνωστού ως επαφή Josephson. Όταν η συσκευή περιστρέφεται, εμφανίζεται μια κβαντική μηχανική διαφορά φάσης η οποία μετράται με τη βοήθεια μιας μηχανικής μεμβράνης. Παρόλο που παρόμοιοι αισθητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τη μέτρηση της περιστροφής της Γης, η απομόνωση του εξαιρετικά αδύναμου σήματος της παρασυρμένης χωροχρονικής δίνης παρέμενε εξαιρετικά δύσκολη λόγω του θερμικού θορύβου.
Προς την πειραματική υλοποίηση και τις μελλοντικές προοπτικές
Η νέα ανάλυση των ερευνητών δείχνει ότι η λειτουργία του υπερρευστού γυροσκοπίου σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 10 millikelvin, μπορεί να μειώσει σημαντικά τους θορύβους και να ξεπεράσει σε ευαισθησία προηγούμενες μετρήσεις. Σε αντίθεση με παλαιότερα πειράματα που απαιτούσαν διαστημικές αποστολές, αυτή η προσέγγιση επιτρέπει τη διεξαγωγή μετρήσεων υψηλής ακρίβειας απευθείας σε εργαστήριο στη Γη.
Επιπλέον, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι οι μεταβολές στο υπερρευστό ήλιο θα μπορούσαν να αποκαλύψουν εξαιρετικά μικρές διαφορές στον χρόνο που απαιτείται για τη διέλευση διαφορετικών διαδρομών γύρω από τον βρόχο του αισθητήρα, προσφέροντας έναν νέο τρόπο μελέτης της επίδρασης της βαρύτητας στον χρόνο.
Η ερευνητική ομάδα προχωρά τώρα στην κατασκευή των απαραίτητων διατάξεων Josephson που μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, ανοίγοντας τον δρόμο για τη διερεύνηση φαινομένων κβαντικής βαρύτητας.