一種新型的納米金屬誘導(dǎo)吸收引力波技術(shù)研究

黃鴻勇，巫玉霞，黃慧嫻，鄧東媛，陳懷寬，陳榮城

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

引力波是由時空彎曲中的漣漪產(chǎn)生的，以波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量[1]。愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，引力波幾乎能夠不受阻擋地穿過途經(jīng)的絕大多數(shù)物質(zhì)，因而帶有從未被觀測過的更多的天文現(xiàn)象信息[3]。雖然人類提出使用測量速度的方法替代傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀進(jìn)行的引力波位置測量[4]，但現(xiàn)有的引力波激光干涉儀里最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)就是邁克爾遜干涉儀[5]?？傮w上說，現(xiàn)有的引力波探測分為地面和空間兩種方式[6]。正在建造或運作中的地面干涉儀有法國和意大利合作建造的處女座干涉儀（VIRGO）（臂長3 000 m）、德國和英國合作的GEO600（臂長600 m）以及日本正在建造中的神岡引力波探測器（KAGRA）（臂長3 000 m）等。探測器總體上都是較為龐大，造價不菲，這主要是因為探測的基本原理是邁克爾遜干涉原理。20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）設(shè)計一種棒狀引力波探測器，是最早的一種引力波探測器，也稱作韋伯棒（Weber bar）。它的體型和造價都較為適合，但是容易受到地震、空氣振動、溫度和濕度變化、空氣分子布朗運動的干擾[7]。

光與金屬相互作用會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，如表面等離子體（Surface Plasmons，SPs）和誘導(dǎo)吸收等[8]。引力波所攜帶的引力輻射能力可以類比為電磁波攜帶的能力，對金屬同樣會產(chǎn)生上述奇異的現(xiàn)象。本文以引力輻射能力對納米金屬產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象為機(jī)理，并定義為納米金屬誘導(dǎo)吸收引力波探測技術(shù)，進(jìn)而研究基于納米金屬誘導(dǎo)吸收技術(shù)的引力波探測，包括引力波能量探測、頻率探測和位置探測。

1 引力波納米金屬誘導(dǎo)吸收模型與機(jī)理

本文以銀納米顆粒作為誘導(dǎo)吸收材料，上下均由石墨烯/二氧化硅/石墨烯形成類電容板結(jié)構(gòu)，這個探測膜簡稱GSGAGSG膜。當(dāng)引力波經(jīng)過模型時，其帶有的引力輻射能力使得銀產(chǎn)生誘導(dǎo)共振效應(yīng)，進(jìn)而改變內(nèi)部電荷分布。這一電荷分布雖然微小，但是在微納級別的類電容中必將形成電流信號變化。引力波誘導(dǎo)吸收機(jī)理與納米金屬對電磁波的誘導(dǎo)吸收機(jī)理相似，根據(jù)模型特點，滿足Mie模型。

2 探測器模型及其探測分析

為了得到引力波的具體參數(shù)，包括頻率、能量和位置，本文將引力波納米金屬誘導(dǎo)吸收模型分布在正十二面體，每個面均為面積相同的五邊形。每個面以二氧化硅隔開，即每個面均為以二氧化硅為邊圍起來的GSGAGSG膜。各個面的探測獨立接入，即外側(cè)面直接引出，內(nèi)側(cè)面通過邊的二氧化硅處引出，且12個面的內(nèi)側(cè)引出均不共線，避免干擾。電磁波和震動等外界影響均為造成各個面信號的改變，因為電磁波本身會造成類似于引力波的誘導(dǎo)吸收，震動則會不同程度造成膜的結(jié)構(gòu)改變，使得信號發(fā)生變化。因而，必須將該探測裝置置于電磁屏蔽和免震動條件下，引力波可以穿越天體而不受影響，這個處理正好將引力波信號和電磁信號分離。

任何物體都會發(fā)射引力波，引力波的能量大小與兩個天體的質(zhì)量有關(guān)，而且探測到的強度還和與發(fā)射物體的距離的平方成反比，這一能量與距離平方反比規(guī)律與電磁波的一模一樣。天體在合并時所輻射能量較強，其引力波也較強；天體正常運行時所輻射能量較弱，其引力波也較弱，此時引力波更不容易被檢測、觀測到。所以現(xiàn)在探測到的都是天體發(fā)生劇變，如合并時產(chǎn)生的引力波。探測器各個面因為距離天體有微小的距離差別，誘導(dǎo)吸收的能量也有差別，這一差別在微納級別的探測膜上表現(xiàn)較為明顯。在直徑100 m的12面體的相鄰兩個面上由于引力波產(chǎn)生的電荷變化，遠(yuǎn)端面引起的電流密度變化為5.9×105，近端面引起的電流密度變化為7×105?？梢?，根據(jù)探測引力波誘導(dǎo)吸收的最大頻率（探測器探測的最大能量）判定天體情況，由最大能量所處的12個面的哪個位置確定發(fā)生引力波天體所處的方位，而探測能量與天體合并該有的引力波能力比對得到引力波所處的距離。

3 分析與討論

本文展現(xiàn)出來的基于誘導(dǎo)吸收12面體引力波探測器可以根據(jù)頻率來判定產(chǎn)生引力波的天體情況（如大?。M(jìn)而計算出引力波初始能量值，再根據(jù)各個面探測的能量大小判定引力波產(chǎn)生的方位。但是由于整個探測器的膜結(jié)構(gòu)很難保證銀顆粒在每層里面、層與層之間和面與面之間保持一致，所以誘導(dǎo)吸收也會因為銀顆粒大小而影響判定。雖然遠(yuǎn)端面引力波誘導(dǎo)吸收引起的電流密度變化應(yīng)該比近端的大，但是不至于差別在同一個數(shù)量級，因為根據(jù)能力與距離平方反比關(guān)系，它們之間的距離差和天體距離測試點的距離小之又小。二氧化硅顆粒不均勻性，包括每層里面、層與層之間和面與面之間的均勻性也會使得石墨烯膜起伏變動不一，影響各個面的探測結(jié)果比對，甚至影響單個面誘導(dǎo)吸收值的一致性。石墨烯雖然是二維結(jié)構(gòu)，但是在制備或者轉(zhuǎn)移過程也會產(chǎn)生堆垛或者褶皺，那么石墨烯本身的一致性也會對各個面比對產(chǎn)生影響。

在實際探測時，必須進(jìn)行歸一化處理。因為電磁波容易產(chǎn)生和識別，歸一化過程采用固定的電磁波對各個面在相同探測距離進(jìn)行能量歸一化處理，以產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收信號最小的面作為1，其余面產(chǎn)生的誘導(dǎo)吸收相對能量作為各個面的歸一化系數(shù)。實際探測時，各個面探測值除以其歸一化系數(shù)即為該接收面探測的實際值。

4 結(jié)語

本文沒有運用邁克爾遜干涉原理，而是采用納米金屬的誘導(dǎo)吸收理論，將石墨烯、二氧化硅和納米銀顆粒形成GSGAGSG膜作為探測探頭，并以該膜層作為面構(gòu)建了正十二面體形成引力波探測器。該探測器以頻率和各個面的探測歸一化值展現(xiàn)引力波產(chǎn)生的天體情況，包括天體位置和質(zhì)量。雖然該技術(shù)還處于理論研究階段，但是其可操作性相比邁克爾遜干涉原理的“龐然大物”有著極大的優(yōu)勢，有望推動引力波探測技術(shù)的發(fā)展。