En av de mest djupgående öppna frågorna inom modern fysik är: ”Är gravitation kvantmekanisk?” De andra grundläggande krafterna – elektromagnetiska, svaga och starka – har alla beskrivits framgångsrikt, men det finns ännu ingen fullständig och konsekvent kvantteori om gravitation.
”Teoretiska fysiker har föreslagit många möjliga scenarier, från att gravitationen är klassisk till att den är helt kvantmekanisk, men debatten är fortfarande olöst eftersom vi aldrig har haft ett tydligt sätt att testa gravitationens kvantmekaniska natur i laboratoriet”, säger Dongchel Shin, doktorand vid MIT:s institution för maskinteknik (MechE).
”Nyckeln till svaret ligger i att förbereda mekaniska system som är tillräckligt stora för att känna gravitationen, men samtidigt tillräckligt tysta – tillräckligt kvantmekaniska – för att avslöja hur gravitationen interagerar med dem.”
Shin, som också är MathWorks Fellow, forskar om kvant- och precisionsmetrologiplattformar som undersöker grundläggande fysik och är utformade för att bana väg för framtida industriell teknik. Han är huvudförfattare till en ny artikel som visar laserkylning av en centimeterlång torsionsoscillator. Den fritt tillgängliga artikeln, ”Active laser cooling of a centimeter-scale torsional oscillator”, publicerades nyligen i tidskriften Optica.
Lasrar har använts rutinmässigt för att kyla atomära gaser sedan 1980-talet och har använts i linjär rörelse i mekaniska oscillatorer i nanoskala sedan omkring 2010. Den nya artikeln presenterar första gången denna teknik har utvidgats till torsionsoscillatorer, som är nyckeln till ett världsomspännande arbete för att studera gravitation med hjälp av dessa system.
”Torsionspendlar har varit klassiska verktyg för gravitationforskning sedan [Henry] Cavendishs berömda experiment 1798. De har använts för att mäta Newtons gravitationskonstant G, testa kvadratlagens omvända kvadratlag och söka efter nya gravitationsfenomen”, förklarar Shin.
Genom att använda lasrar för att ta bort nästan all termisk rörelse från atomer har forskare under de senaste decennierna skapat ultrakalla atomgaser vid mikro- och nanokelvintemperaturer. Dessa system driver nu världens mest exakta klockor – optiska gitterklockor – med en så hög tidsnoggrannhet att de skulle gå mindre än en sekund fel under universums livstid.
”Historiskt sett har dessa två tekniker utvecklats separat – den ena inom gravitationsfysik, den andra inom atom- och optisk fysik”, säger Shin. ”I vårt arbete för vi samman dem. Genom att tillämpa laserkylningstekniker som ursprungligen utvecklades för atomer på en torsionsoscillator i centimeterskala försöker vi överbrygga den klassiska och den kvantmekaniska världen. Denna hybridplattform möjliggör en ny typ av experiment – experiment som äntligen kan låta oss testa om gravitationen behöver beskrivas med kvantteori.”
Den nya artikeln visar laserkylning av en torsionsoscillator i centimeterskala från rumstemperatur till en temperatur på 10 millikelvin (1/1 000-del av en kelvin) med hjälp av en speglad optisk hävstång.
”En optisk hävstång är en enkel men kraftfull mätteknik: Man lyser med en laser på en spegel, och även en liten lutning av spegeln gör att den reflekterade strålen förskjuts märkbart på en detektor. Detta förstorar små vinkelrörelser till lätt mätbara signaler”, förklarar Shin och påpekar att även om premissen är enkel, stötte teamet på utmaningar i praktiken.
”Laserstrålen i sig kan fladdra något på grund av luftströmmar, vibrationer eller brister i optiken. Dessa fladdringar kan felaktigt uppfattas som rörelser i spegeln, vilket begränsar vår förmåga att mäta verkliga fysiska signaler.”
För att övervinna detta använde teamet en speglad optisk hävstång, som använder en andra, speglad version av laserstrålen för att eliminera oönskade fladdringar.
”En stråle interagerar med torsionsoscillatorn, medan den andra reflekteras av en hörnspegel, vilket reverserar eventuella vibrationer utan att registrera oscillatorns rörelse”, säger Shin. ”När de två strålarna kombineras i detektorn bevaras den verkliga signalen från oscillatorn och den falska rörelsen från laservibrationerna elimineras.”
Denna metod minskade bruset med en faktor tusen, vilket gjorde det möjligt för forskarna att detektera rörelser med extrem precision, nästan tio gånger bättre än oscillatorns egna kvantfluktuationer vid nollpunkten. ”Den känslighetsnivån gjorde det möjligt för oss att kyla ner systemet till bara 10 millikelvin med hjälp av laserljus”, säger Shin.
Shin säger att detta arbete bara är början. ”Vi har visserligen uppnått kvantbegränsad precision under oscillatorns nollpunktsrörelse, men vårt nästa mål är att nå det faktiska kvantgrundtillståndet”, säger han.
”För att göra det måste vi ytterligare stärka den optiska interaktionen – med hjälp av en optisk kavitet som förstärker vinkelsignaler eller optiska fångststrategier. Dessa förbättringar kan öppna dörren för experiment där två sådana oscillatorer interagerar endast genom gravitation, vilket gör att vi direkt kan testa om gravitationen är kvant eller inte.”
De andra författarna till artikeln från institutionen för maskinteknik är Vivishek Sudhir, biträdande professor i maskinteknik och Class of 1957 Career Development Professor, samt doktorand Dylan Fife. Ytterligare författare är Tina Heyward och Rajesh Menon från institutionen för elektro- och datateknik vid University of Utah. Shin och Fife är båda medlemmar i Sudhirs laboratorium, Quantum and Precision Measurements Group.
Shin säger att en sak han har lärt sig uppskatta genom detta arbete är bredden på den utmaning som teamet står inför. ”Att studera kvantaspekter av gravitation experimentellt kräver inte bara en djup förståelse för fysik – relativitet, kvantmekanik – utan också praktisk expertis inom systemdesign, nanofabrikation, optik, styrning och elektronik”, säger han.
”Min bakgrund inom maskinteknik, som omfattar både teoretiska och praktiska aspekter av fysikaliska system, har gett mig rätt perspektiv för att navigera och bidra på ett meningsfullt sätt inom dessa olika områden”, säger Shin. ”Det har varit otroligt givande att se hur denna breda utbildning kan bidra till att ta itu med en av de mest grundläggande frågorna inom vetenskapen.”
Mer information: Dong-Chel Shin et al, Active laser cooling of a centimeter-scale torsional oscillator, Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.548098
Denna artikel publiceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om forskning, innovation och undervisning vid MIT.
