Feasibility study of quantum gravity detection methods using rare-earth-ion-based systems
(2025) In Lund Reports in Atomic Physics (LRAP) PHYM01 20242Atomic Physics
Department of Physics
- Abstract
- In this thesis, an experimental scheme to probe deformations to Heisenberg's uncertainty relation between position and momentum for an object of mass similar to the Planck mass is designed. This will allow experimental bounds to be put on deformation parameters for three different models proposed to explain quantum gravity. The scheme is based on existing ideas to couple a micron-sized harmonic oscillator to a field of light to probe the uncertainty relation, as well as exploiting a dispersive coupling between a cantilevered beam doped with Europium atoms and the phase of light traveling through a spectral hole burnt into the structure. Design parameters for the probing and coupling scheme are determined in such a way that the interaction... (More)
- In this thesis, an experimental scheme to probe deformations to Heisenberg's uncertainty relation between position and momentum for an object of mass similar to the Planck mass is designed. This will allow experimental bounds to be put on deformation parameters for three different models proposed to explain quantum gravity. The scheme is based on existing ideas to couple a micron-sized harmonic oscillator to a field of light to probe the uncertainty relation, as well as exploiting a dispersive coupling between a cantilevered beam doped with Europium atoms and the phase of light traveling through a spectral hole burnt into the structure. Design parameters for the probing and coupling scheme are determined in such a way that the interaction strength is large enough to probe the three different models of the deformed uncertainty relation down to order unity in each of the models' deformation parameters. Sources of noise and a cooling scheme to reduce them are investigated to allow for a measurement uncertainty much smaller than the measured values of the deformation parameters. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- När föremål blir tillräckligt små börjar de bete sig annorlunda från hur de vanligtvis beter sig. Effekter, som att föremål kan vara på flera ställen samtidigt eller vara osynligt sammankopplade över stora avstånd, börjar istället att ske. Inom fysiken brukar dessa effekter beskrivas av kvantmekanik, en teori som har varit väldigt framgångsrik med att förklara vår värld. En annan effekt som dyker upp inom kvantmekaniken är att vissa egenskaper hos ett föremål inte går att mäta utan att samtidigt påverka vad som är möjligt att veta om andra egenskaper hos föremålet. Detta är en välkänd effekt inom fysiken och kallas för Heisenberg's obestämbarhetsrelation.
Trots att kvantmekaniken väldigt väl beskriver hur små beståndsdelar interagerar,... (More) - När föremål blir tillräckligt små börjar de bete sig annorlunda från hur de vanligtvis beter sig. Effekter, som att föremål kan vara på flera ställen samtidigt eller vara osynligt sammankopplade över stora avstånd, börjar istället att ske. Inom fysiken brukar dessa effekter beskrivas av kvantmekanik, en teori som har varit väldigt framgångsrik med att förklara vår värld. En annan effekt som dyker upp inom kvantmekaniken är att vissa egenskaper hos ett föremål inte går att mäta utan att samtidigt påverka vad som är möjligt att veta om andra egenskaper hos föremålet. Detta är en välkänd effekt inom fysiken och kallas för Heisenberg's obestämbarhetsrelation.
Trots att kvantmekaniken väldigt väl beskriver hur små beståndsdelar interagerar, är det en inkomplett teori där gravitationen än så länge inte har lyckats förenas med resten av teorin. För vardagliga objekt är denna kraft väl studerad, men på den mest fundamentala nivån saknas en förståelse för hur gravitation beter sig. Flertalet modeller för att bättre beskriva denna kraft har tagits fram, något som ofta refereras till som teorier om kvantgravitation. För att en del av dessa teorier ska fungera behöver obestämbarhetsrelationen för vissa egenskaper att anpassas. Bland dessa egenskaper är position och momentum, där obestämbarhetsrelationen säger att en bättre mätnoggranhet av var ett objekt är leder till en större osäkerhet i hur snabbt det rör sig. Storleken på förändringen av obestämbarhetsrelationen är inte känt och att hitta ett experiment som kan mäta detta skulle vara väldigt värdefullt. Detta hade i sin tur kunnat begränsa nuvarande teorier och bidragit till en bättre förståelse av gravitation.
I den här uppsatsen tas ett förslag till en experimentell uppställning för att mäta möjliga förändringar i obestämbarhetsrelationen fram. Uppställningen är baserad på en kombination av tidigare förslag till att mäta position och momentum på ett föremål med låg massa. Detta görs genom att ljus från en laser får interagera med föremålet på ett sätt som tidigare inte har undersökts. Förhoppningen är att den nya interaktionen är starkare och uppställningen mer lättillverkad än vad som tidigare föreslagits. Resultaten visar att experimentet är möjligt att genomföra, men att det kommer att vara utmanande. Däremot ser mätnoggrannheten mycket lovande ut jämfört med tidigare förslag. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9185349
- author
- Lundblad, Erik LU
- supervisor
- organization
- course
- PHYM01 20242
- year
- 2025
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- quantum gravity detection, rare-earth-ions, quantum optics, spectral hole burning
- publication/series
- Lund Reports in Atomic Physics (LRAP)
- report number
- 608
- language
- English
- id
- 9185349
- date added to LUP
- 2025-02-18 10:00:41
- date last changed
- 2025-02-18 10:00:41
@misc{9185349,
abstract = {{In this thesis, an experimental scheme to probe deformations to Heisenberg's uncertainty relation between position and momentum for an object of mass similar to the Planck mass is designed. This will allow experimental bounds to be put on deformation parameters for three different models proposed to explain quantum gravity. The scheme is based on existing ideas to couple a micron-sized harmonic oscillator to a field of light to probe the uncertainty relation, as well as exploiting a dispersive coupling between a cantilevered beam doped with Europium atoms and the phase of light traveling through a spectral hole burnt into the structure. Design parameters for the probing and coupling scheme are determined in such a way that the interaction strength is large enough to probe the three different models of the deformed uncertainty relation down to order unity in each of the models' deformation parameters. Sources of noise and a cooling scheme to reduce them are investigated to allow for a measurement uncertainty much smaller than the measured values of the deformation parameters.}},
author = {{Lundblad, Erik}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{Lund Reports in Atomic Physics (LRAP)}},
title = {{Feasibility study of quantum gravity detection methods using rare-earth-ion-based systems}},
year = {{2025}},
}