Ultrakoude atomen kunnen de natuurwet breken die stelt dat de hoeveelheid wanorde alsmaar toeneemt. Daarvoor moeten hun quantumeigenschappen nauwkeurig worden ingesteld.
De wetten van de natuurkunde stellen dat een georganiseerd systeem na verloop van tijd steeds wanordelijker wordt, totdat het oplost in een homogene brij. Stel je een boeket bloemen voor: hun wanorde, ofwel entropie, zal geleidelijk toenemen totdat de fraaie bloemen uiteenvallen tot bruine stof. Een nieuw experiment laat echter zien dat deze natuurwet niet geldt voor sommige extreem koude atomen.
Thermalisatie
Meer dan een eeuw lang dachten natuurkundigen dat het proces hierachter, dat thermalisatie wordt genoemd, onvermijdelijk was. In de jaren 1950 werd echter duidelijk dat quantumeffecten uitzonderingen kunnen veroorzaken.

‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Natuurkundige Luheng Zhao en zijn collega’s van Duke-universiteit in de VS ontdekten dat zulke uitzonderingen selectief gecreëerd kunnen worden. In hun experiment thermaliseerden sommige atomen, terwijl andere de entropie weerstonden. Deze bleven juist dicht bij hun oorspronkelijke toestand. Het onderzoeksteam beschrijft deze vondst in een artikel dat gepubliceerd zal worden in het wetenschappelijk vakblad Physical Review X.
‘Dit is in het verleden verondersteld, maar nog nooit waargenomen in een experiment’, zegt Zhao. Zijn team gebruikte atomen van het element rubidium, die ze afkoelden tot slechts 19 miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Dat deden ze door de deeltjes te bestoken met lasers en elektromagnetische velden. Ze gebruikten hetzelfde gereedschap om tot negentien van zulke atomen in een rijtje te rangschikken.
Sturen met lasers
Deze atomen hadden ook een extra grote diameter, wat betekende dat hun elektronen op grote afstand om de kern draaien. Hierdoor waren de atomen extreem gevoelig voor licht, dat dus gemakkelijk kon worden gebruikt om ze te beheersen.
Met behulp van laserlicht konden de onderzoekers de atomen op een heel specifieke manier met elkaar laten interageren. Met licht kon het team ook de quantumeigenschappen van de atomen, zoals de energie van de elektronen, aan het begin van het experiment nauwkeurig instellen. Na het instellen van de beginomstandigheden gaven de onderzoekers de atomen de tijd om op natuurlijke wijze van toestand te veranderen – een kans om te thermaliseren – voordat ze die quantumeigenschappen maten en de uiteindelijke toestand van de atomen bepaalden.
Opvallend genoeg weerstonden sommige atomen de thermalisatie, met de juiste combinatie van begineigenschappen en interacties. In plaats van zich bij hun buuratomen aan te sluiten, en één toestand te vormen die in entropie zou stijgen, eindigden ze met eigenschappen die erg leken op die ze aan het begin van het experiment hadden.
Praktische toepassingen
Natuurkundige Thomas Iadecola van Iowa-staatsuniversiteit in de VS zegt dat het ongebruikelijk is dat een deel van een systeem niet dezelfde hoge entropietoestand bereikt als de rest. ‘Normaal gesproken maakt het niet uit in welke begintoestand je bent begonnen’, zegt hij.
Nu de onderzoekers hebben aangetoond dat dit soort gedrag bestaat en zelfs beheerst kan worden, kan het ook praktische toepassingen hebben. Selectief thermalisatie vermijden kan nuttig zijn in experimenten waarbij ultrakoude atomen materialen nabootsen, of in quantumcomputers, waarbij veranderingen in de quantumtoestand worden gebruikt om informatie te verwerken. Volgens Iadecola kan zorgen dat sommige atomen zich altijd anders gedragen dan hun buren een extra controlemethode zijn in dergelijke experimenten.
Een bijzonder veelbelovende toepassing kan zijn om quantumcomputers, die bestaan uit ultrakoude atomen, hun eigen fouten te laten detecteren en corrigeren, zegt Zhao. In dit geval zouden de onderzoekers ervoor zorgen dat elke storing beperkt blijft tot slechts een paar atomen, en zich niet door de hele computer verspreidt.