Физики измерили гравитацию миллиметрового объекта с помощью замедленного света в оптическом микрорезонаторе

Физики из Шанхайского университета Цзяотун создали сверхчувствительный датчик, способный улавливать гравитационное притяжение объекта размером всего в несколько миллиметров. Исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, показывает, как с помощью замедленного света и крошечного крутильного маятника удалось измерить гравитационную силу в 3,02×10⁻¹⁶ ньютона — событие, открывающее путь к изучению квантовой природы гравитации.

Гравитация — самая слабая из четырех фундаментальных сил, и это создает серьезную головную боль для физиков. Пока речь идет о планетах или яблоках, падающих на землю, все более-менее понятно. Но когда исследователи пытаются заглянуть в мир микроскопических масс, гравитационное притяжение становится настолько ничтожным, что его невероятно трудно отличить от случайных помех. Именно на этом хрупком рубеже и работает команда из Шанхая, которой удалось превратить, казалось бы, неуловимый эффект в измеримый сигнал.

В основе их подхода лежит классическая идея, известная еще со времен эксперимента Кавендиша: подвешенная на тонкой нити конструкция, которая слегка поворачивается под действием притяжения соседнего объекта. Однако исследователи пошли дальше и добавили к этой механике оптическую микрополость — крошечную структуру, удерживающую свет. Когда маятник смещается хотя бы на доли нанометра, меняется зазор между кремниевой микросферой и сужающимся оптическим волокном, а это, в свою очередь, заметно влияет на то, как свет проходит через систему.

Самое интересное начинается, когда ученые настраивают микрополость вблизи так называемой точки остановки света. В этом режиме световые импульсы замедляются до скорости около 2000 метров в секунду, а оптическая фаза начинает реагировать на мельчайшие механические возмущения с поразительной остротой. Проще говоря, крошечное движение маятника приводит к гораздо более заметному изменению светового сигнала, чем можно было бы ожидать. Это и позволяет регистрировать смещения порядка пикометров, что соответствует чувствительности к ускорению 3,06×10⁻¹⁶ g.

«Замедленный свет» — это не изменение знаменитой постоянной скорости света в вакууме, а уменьшение скорости распространения светового импульса (групповой скорости) при прохождении через специально подготовленную среду. В вакууме свет летит со скоростью около 300 000 километров в секунду, но в веществе с сильной дисперсией — зависимостью показателя преломления от частоты, импульс может замедлиться в миллионы раз, до метров в секунду и даже меньше.

Чтобы убедиться, что датчик действительно чувствует гравитацию, а не что-то постороннее, авторы провели целую серию контрольных экспериментов. Они экранировали установку от электростатических наводок, изолировали ее от вибраций и, что особенно важно, сравнивали сферы одинакового объема, но изготовленные из разных материалов. Измеренный отклик рос именно с массой источника, как и предсказывает ньютоновская гравитация, а не с площадью поверхности или объемом. Кроме того, исследователи периодически двигали источник массой 1,2 грамма и диаметром 6 миллиметров, чтобы гравитационный сигнал появлялся на известной частоте и его можно было отличить от фонового шума.

По словам одного из авторов работы Ичэна Чжу, ключевой вклад исследования состоит в том, что дисперсию в точке остановки света удалось превратить в практический измерительный инструмент. Раньше этот эффект рассматривали скорее как способ управления светом, а теперь он стал ресурсом для прецизионных измерений.

В перспективе такой подход может пригодиться для маломасштабной гравиметрии, проверок ньютоновской гравитации и даже для экспериментов на стыке гравитации и квантовой физики. Следующий шаг команды это дальнейшее повышение чувствительности, переход к еще меньшим массам и более слабым силам, а также борьба с главными ограничениями: вибрациями окружающей среды, низкочастотным шумом и дрейфом зазора.

В итоге работа демонстрирует, что хрупкое взаимодействие света и механики можно заставить работать на пределе чувствительности. Ученые не просто измерили ничтожную гравитационную силу от миллиметрового объекта, они показали, что оптические микрорезонаторы способны стать надежным инструментом для изучения гравитации в масштабах, где раньше это казалось почти невозможным.