一种新型的纳米金属诱导吸收引力波技术研究

黄鸿勇，巫玉霞，黄慧娴，邓东媛，陈怀宽，陈荣城

（广东职业技术学院，广东 佛山 528000）

引力波是由时空弯曲中的涟漪产生的，以波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量[1]。爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在，引力波几乎能够不受阻挡地穿过途经的绝大多数物质，因而带有从未被观测过的更多的天文现象信息[3]。虽然人类提出使用测量速度的方法替代传统的迈克尔逊干涉仪进行的引力波位置测量[4]，但现有的引力波激光干涉仪里最基础的结构就是迈克尔逊干涉仪[5]。总体上说，现有的引力波探测分为地面和空间两种方式[6]。正在建造或运作中的地面干涉仪有法国和意大利合作建造的处女座干涉仪（VIRGO）（臂长3 000 m）、德国和英国合作的GEO600（臂长600 m）以及日本正在建造中的神冈引力波探测器（KAGRA）（臂长3 000 m）等。探测器总体上都是较为庞大，造价不菲，这主要是因为探测的基本原理是迈克尔逊干涉原理。20世纪60年代，美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）设计一种棒状引力波探测器，是最早的一种引力波探测器，也称作韦伯棒（Weber bar）。它的体型和造价都较为适合，但是容易受到地震、空气振动、温度和湿度变化、空气分子布朗运动的干扰[7]。

光与金属相互作用会产生奇异的现象，如表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）和诱导吸收等[8]。引力波所携带的引力辐射能力可以类比为电磁波携带的能力，对金属同样会产生上述奇异的现象。本文以引力辐射能力对纳米金属产生的奇异现象为机理，并定义为纳米金属诱导吸收引力波探测技术，进而研究基于纳米金属诱导吸收技术的引力波探测，包括引力波能量探测、频率探测和位置探测。

1 引力波纳米金属诱导吸收模型与机理

本文以银纳米颗粒作为诱导吸收材料，上下均由石墨烯/二氧化硅/石墨烯形成类电容板结构，这个探测膜简称GSGAGSG膜。当引力波经过模型时，其带有的引力辐射能力使得银产生诱导共振效应，进而改变内部电荷分布。这一电荷分布虽然微小，但是在微纳级别的类电容中必将形成电流信号变化。引力波诱导吸收机理与纳米金属对电磁波的诱导吸收机理相似，根据模型特点，满足Mie模型。

2 探测器模型及其探测分析

为了得到引力波的具体参数，包括频率、能量和位置，本文将引力波纳米金属诱导吸收模型分布在正十二面体，每个面均为面积相同的五边形。每个面以二氧化硅隔开，即每个面均为以二氧化硅为边围起来的GSGAGSG膜。各个面的探测独立接入，即外侧面直接引出，内侧面通过边的二氧化硅处引出，且12个面的内侧引出均不共线，避免干扰。电磁波和震动等外界影响均为造成各个面信号的改变，因为电磁波本身会造成类似于引力波的诱导吸收，震动则会不同程度造成膜的结构改变，使得信号发生变化。因而，必须将该探测装置置于电磁屏蔽和免震动条件下，引力波可以穿越天体而不受影响，这个处理正好将引力波信号和电磁信号分离。

任何物体都会发射引力波，引力波的能量大小与两个天体的质量有关，而且探测到的强度还和与发射物体的距离的平方成反比，这一能量与距离平方反比规律与电磁波的一模一样。天体在合并时所辐射能量较强，其引力波也较强；天体正常运行时所辐射能量较弱，其引力波也较弱，此时引力波更不容易被检测、观测到。所以现在探测到的都是天体发生剧变，如合并时产生的引力波。探测器各个面因为距离天体有微小的距离差别，诱导吸收的能量也有差别，这一差别在微纳级别的探测膜上表现较为明显。在直径100 m的12面体的相邻两个面上由于引力波产生的电荷变化，远端面引起的电流密度变化为5.9×105，近端面引起的电流密度变化为7×105。可见，根据探测引力波诱导吸收的最大频率（探测器探测的最大能量）判定天体情况，由最大能量所处的12个面的哪个位置确定发生引力波天体所处的方位，而探测能量与天体合并该有的引力波能力比对得到引力波所处的距离。

3 分析与讨论

本文展现出来的基于诱导吸收12面体引力波探测器可以根据频率来判定产生引力波的天体情况（如大小），进而计算出引力波初始能量值，再根据各个面探测的能量大小判定引力波产生的方位。但是由于整个探测器的膜结构很难保证银颗粒在每层里面、层与层之间和面与面之间保持一致，所以诱导吸收也会因为银颗粒大小而影响判定。虽然远端面引力波诱导吸收引起的电流密度变化应该比近端的大，但是不至于差别在同一个数量级，因为根据能力与距离平方反比关系，它们之间的距离差和天体距离测试点的距离小之又小。二氧化硅颗粒不均匀性，包括每层里面、层与层之间和面与面之间的均匀性也会使得石墨烯膜起伏变动不一，影响各个面的探测结果比对，甚至影响单个面诱导吸收值的一致性。石墨烯虽然是二维结构，但是在制备或者转移过程也会产生堆垛或者褶皱，那么石墨烯本身的一致性也会对各个面比对产生影响。

在实际探测时，必须进行归一化处理。因为电磁波容易产生和识别，归一化过程采用固定的电磁波对各个面在相同探测距离进行能量归一化处理，以产生诱导吸收信号最小的面作为1，其余面产生的诱导吸收相对能量作为各个面的归一化系数。实际探测时，各个面探测值除以其归一化系数即为该接收面探测的实际值。

4 结语

本文没有运用迈克尔逊干涉原理，而是采用纳米金属的诱导吸收理论，将石墨烯、二氧化硅和纳米银颗粒形成GSGAGSG膜作为探测探头，并以该膜层作为面构建了正十二面体形成引力波探测器。该探测器以频率和各个面的探测归一化值展现引力波产生的天体情况，包括天体位置和质量。虽然该技术还处于理论研究阶段，但是其可操作性相比迈克尔逊干涉原理的“庞然大物”有着极大的优势，有望推动引力波探测技术的发展。