Рис. Гравитационные волны изменяют частоту (цвет) света, излучаемого атомами, в зависимости от направления излучения. Точные измерения этих изменений частоты могут открыть новый способ обнаружения гравитационных волн. (Фото: Ежи Михал Пачош).

При возбуждении атомы естественным образом возвращаются в возбужденное состояние, испуская свет на характерной частоте — это квантовый процесс, известный как спонтанное излучение. Это происходит благодаря их взаимодействию с квантовым электромагнитным полем.

Гравитационные волны модулируют квантовое поле, что, в свою очередь, влияет на спонтанное излучение. Эта модуляция может сдвигать частоты испускаемых фотонов по сравнению со случаем отсутствия волн.

Теоретики предполагают, что излучение станет зависимым от направления: атомы испускают фотоны с одинаковой общей скоростью — именно поэтому этот эффект до сих пор игнорировался, — но частота фотонов меняется в зависимости от направления излучения. Такая направленная спектральная картина будет кодировать направление и поляризацию волны и может помочь отличить сигнал от шума.

Низкочастотные гравитационные волны являются важной целью для будущих космических обсерваторий. Авторы отмечают, что узкие оптические переходы, используемые в платформах атомных часов, обеспечивают длительное время взаимодействия, что потенциально делает системы с холодными атомами перспективной площадкой для экспериментов.

Атомы излучают свет подобно музыкальному проигрывателю, который поддерживает ровный тон, но гравитационная волна изменяет звучание ноты в разных направлениях. Результаты данной работы могут открыть путь к созданию компактных устройств для измерения гравитационных волн, где соответствующий атомный ансамбль имеет миллиметровый масштаб.