ストックホルム大学、ノルディタ、テュービンゲン大学の研究チームは、原子から放出される光の変化を観測することで重力波を検出する手法を提案した。重力波は放出率を変えることなく、光子の周波数を特定の方向へわずかに変化させるという。この手法は、冷却原子系を用いた小型検出器の実現につながる可能性がある。
ブラックホールの衝突といった事象によって生じる時空のさざ波である重力波は、一般的にキロメートル級の巨大な装置を用い、極めて微小な距離の変化を測定することで検出される。学術誌『フィジカル・レビュー・レターズ』への掲載が決定した理論研究において、研究チームは、重力波が原子の自然放出にどのような影響を与えるかを調べるという新しい手法を提示した。原子はより低いエネルギー状態に戻る際、量子電磁場と相互作用しながら特定の周波数の光を放出する。研究者らによると、重力波はこの場を変調させ、放出される光子の周波数を方向に応じて変化させるという。ストックホルム大学の博士課程学生であるイェジー・パチョス氏は、「重力波は量子場を変調させ、それが自然放出に影響を及ぼします。この変調により、重力波がない場合と比較して、放出される光子の周波数が変化するのです」と説明した。光の総放出率は変わらないものの、スペクトルには明確な指向性のパターンが生じ、それが重力波の方向や偏光を明らかにするため、ノイズと信号の区別に役立つ。全体の明るさが変わらないため、この兆候はこれまで見過ごされてきた。この着想は、将来の宇宙ミッションに関連する低周波の重力波を標的としている。高精度な光遷移を持つ原子時計や、冷却原子系における長い相互作用時間を持つシステムが、検証に向けて有望視されている。ストックホルム大学のポストドクターであるナヴディープ・アーリヤ氏は、「我々の研究成果は、数ミリメートル程度の原子集合体を用いた小型の重力波センシングへの道を開くかもしれません」と述べた。著者らは、原子を「通過する波によって方向的に変化させられる一定の音」に例えている。予測は有望だが、実現可能性については徹底的なノイズ解析が必要である。本研究はイェジー・パチョス、ナヴディープ・アーリヤ、ソフィア・クヴァーフォート、ダニエル・ブラウン、マグダレナ・ジックの各氏によるもので、ストックホルム大学より提供された。
