[论文解读] Electromagnetic Gravitational Waves Antennas for Directional Emission and Reception

A. Füzfa|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的电磁（EM）天线设计，利用谐振EM腔体与强静态磁场耦合，实现引力波（GWs）的定向辐射与接收。通过利用Gertsenshtein-Zeldovich效应，该方法可借助磁能存储实现定向GW辐射与探测，为利用现有技术在实验室尺度实现引力控制提供了可行路径，尽管实际实现仍面临重大技术挑战。

ABSTRACT

A successful experiment combining emission and reception of gravitational waves (GWs) would constitute a premiere of gravity control. However, such experiments manipulating gravity would require to compactly store large amounts of energy while using ultra-sensitive detection techniques and hence can be expected to be very difficult to realise. In this paper, we first propose new designs of electromagnetic (EM) generators allowing directional emission of GWs. They are based on the resonant amplification of GWs occuring when EM standing waves couple to an external static magnetic field. The interplay between the EM polarizations, the orientation of the boosting magnetic field and the emitted GW polarizations is studied, as well as the gravitational radiation patterns of the different generators. Then, we develop a new GW directional detection method based on magnetic energy storage. Three possible applications are presented: (i) indirect detection of GW emission by high-accuracy monitoring of the energy loss in the generators ; (ii) direct detection of an incoming plane GW with a high-field magnet and (iii) GW emission-reception experiments. Although current technology allows reaching detection thresholds in these experiments, their practical realisation would still need to overcome several key technical challenges.

研究动机与目标

• 开发可在实验室环境中实现引力波（GWs）定向发射与接收的实用电磁（EM）天线系统。
• 通过谐振EM腔体与强外部磁场增强发射效率，克服GW信号的极端微弱性。
• 通过电磁技术生成与探测人工GWs，实现对引力的直接实验控制，从而在新领域检验等效原理。
• 提出三种实验应用：通过能量损耗实现间接GW探测、利用超导磁能存储实现直接GW探测，以及双向GW发射-接收实验。
• 证明尽管GW振幅极小，但利用现有或近未来技术，实验室尺度GW实验在理论上是可行的。

提出的方法

• 利用Gertsenshtein-Zeldovich效应，即谐振腔内EM驻波与外部静态磁场相互作用，生成定向引力波。
• 采用高电磁能密度的谐振EM腔体（如环形或圆柱形），通过无量纲的类紧凑参数 $ h \sim \frac{G E_{\text{EM}}}{c^4 L} $ 控制GW发射增强。
• 提出一种基于高场超导磁体中磁能存储的新颖定向GW探测方法，其中入射GW调制存储的磁能。
• 分析EM模态（TE/TM）与发射GW之间的极化耦合，通过优化磁场取向与EM极化方向的对齐，实现最大定向辐射。
• 提出一种非谐振探测方案，避免使用谐振腔，降低机械敏感性问题。
• 将该方法应用于三种实验构想：通过能量损耗监测实现间接GW探测、利用磁能存储实现定向探测，以及双向发射-接收设置。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过将电磁谐振腔与强静态磁场耦合，实现引力波的定向发射并显著增强其振幅？
• RQ2 EM场的极化态与外部磁场的取向如何影响所发射引力波的极化与方向性？
• RQ3 是否可行利用磁能存储系统，特别是超导磁能存储（SMES），作为定向探测器来探测微弱引力波？
• RQ4 能否以足够精度测量EM GW发生器的能量损耗，从而间接确认GW发射？当前高精度技术是否可实现该测量？
• RQ5 在纯电磁手段下，利用实验室尺度实现引力波发射与接收的实际技术挑战有哪些？

主要发现

• 所提出的EM天线设计可使GW发射振幅相比先前基于腔体的方法提高多达三个数量级，尽管仍远低于天体物理GW水平。
• 所发射引力波的极化强烈依赖于EM极化（TE/TM）、腔体几何形状与外部磁场方向之间的相互作用，从而实现方向性控制。
• 通过能量损耗实现间接GW探测的探测阈值估计处于轴子暗物质搜索实验可达到的灵敏度水平，表明该方法在现有技术下具有可行性。
• 提出一种基于高场磁体中磁能存储的新颖定向GW探测方法，可利用超导磁能存储（SMES）技术实现。
• 本文证明，类似于赫兹原始电磁实验的双向GW发射与接收可在实验室中实现，为弱场、相对论性区域的等效原理提供独特检验。
• 尽管GW振幅极小（例如，1 MV/m在1 m³体积中约为~10⁻⁴⁴），但EM发生器产生的连续、相干通量使探测策略与天体物理GW探测不同，减少对罕见瞬变事件的依赖。