O método de mola óptica aprimorado por Kerr aprimora a detecção de ondas gravitacionais, oferecendo novos insights sobre fenômenos cósmicos e estruturas de estrelas de nêutrons. Crédito: SciTechDaily.com
O desenvolvimento de molas ópticas aprimoradas por Kerr pela Tokyo Tech aumenta significativamente a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais, permitindo uma melhor detecção de eventos cósmicos e avançando nossa compreensão do universo.
A detecção de ondas gravitacionais permanece como uma das conquistas mais significativas da física moderna. Em 2017, ondas gravitacionais da fusão de um binário Estrêla de Neutróns foram detectados pela primeira vez, revelando informações cruciais sobre o nosso universo, desde a origem de curtas explosões de raios gama até a formação de elementos pesados.
No entanto, a detecção de ondas gravitacionais emergentes de remanescentes pós-fusão permaneceu ilusória devido à sua faixa de frequência estar fora do alcance dos modernos detectores de ondas gravitacionais (GWDs). Estas ondas indescritíveis contêm informações importantes sobre a estrutura interna das estrelas de nêutrons e, uma vez que essas ondas podem ser observadas uma vez a cada poucas décadas pelos GWDs modernos, há uma necessidade urgente de GWDs da próxima geração.
A mola óptica aprimorada por Kerr demonstra não linearidade ajustável, apresentando aplicações potenciais para melhorar a sensibilidade GWD e em vários sistemas optomecânicos. Crédito: Tóquio Tech
Aumentando a sensibilidade GWD com molas ópticas
Uma maneira de aumentar a sensibilidade dos GWDs é a amplificação do sinal usando uma mola óptica. As molas ópticas, ao contrário de suas contrapartes mecânicas, aproveitam a força de pressão da radiação da luz para imitar o comportamento de uma mola. A rigidez das molas ópticas, como nas GWDs, é determinada pela potência da luz dentro da cavidade óptica. Assim, aumentar a frequência de ressonância das molas ópticas requer aumentar a potência da luz intracavitária que, no entanto, pode resultar em efeitos termicamente prejudiciais e impedir o funcionamento adequado do detector.
Para resolver este problema, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Professor Associado Kentaro Somiya e pelo Dr. Sotatsu Otabe do Departamento de Física da Tokyo Tech, desenvolveu uma solução inovadora: a mola óptica aprimorada por Kerr.
“Um método promissor para aumentar o impacto das molas ópticas sem aumentar a potência intracavitária é a amplificação do sinal intracavitário. Esta técnica aumenta a taxa de amplificação do sinal da cavidade usando efeitos ópticos não lineares e aumenta a constante da mola óptica. Nossa pesquisa revelou que o efeito Kerr óptico é uma abordagem promissora para a utilização bem-sucedida desta técnica”, explica o Prof.
Suas descobertas foram publicadas na revista Cartas de revisão física. Além disso, esta carta foi selecionada como Sugestão dos Editores, um reconhecimento semanal que visa promover o engajamento interdisciplinar.
Abordagem inovadora e suas implicações
Este projeto inovador envolve a geração de efeito de amplificação de sinal intracavitário em uma cavidade optomecânica do tipo Fabry-Perot, inserindo um meio Kerr. O meio Kerr induz um efeito Kerr óptico na cavidade, no qual um campo óptico altera o índice de refração do meio. Isto introduz um gradiente drástico da força de pressão de radiação na cavidade, aumentando a constante da mola óptica sem aumentar a potência intracavitária.
Experimentos revelaram que o efeito Kerr óptico aumenta com sucesso a constante da mola óptica por um fator de 1,6. A frequência de ressonância da mola óptica foi aumentada de 53 Hz para 67 Hz. Os pesquisadores antecipam uma taxa de amplificação de sinal ainda maior com refinamento de questões técnicas.
“O projeto proposto é fácil de implementar e fornece um novo parâmetro ajustável para sistemas optomecânicos. Acreditamos que a técnica demonstrada desempenhará um papel fundamental não apenas nos GWDs, mas também em outros sistemas optomecânicos, como no resfriamento de osciladores macroscópicos ao seu estado fundamental quântico”, diz o Dr.
No geral, este novo design de mola óptica representa um avanço significativo no sentido de aproveitar todo o potencial dos sistemas optomecânicos, bem como GWDs aprimorados, capazes de desvendar os mistérios do nosso universo.
Referência: “Kerr-Enhanced Optical Spring” por Sotatsu Otabe, Wataru Usukura, Kaido Suzuki, Kentaro Komori, Yuta Michimura, Ken-ichi Harada e Kentaro Somiya, 4 de abril de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.143602
