Delftse wetenschappers zijn erin geslaagd twee atomen in een bijzondere, heen en weer stuiterende toestand te brengen. Dit kunststukje kan uiteindelijk helpen het gedrag van quantummaterialen te begrijpen.

De quantummechanica is een prima theorie – maar hij vertelt je niet altijd wat je wilt weten. Soms kun je er bijvoorbeeld goed mee uitrekenen wat er gebeurt als je het hebt over een handvol deeltjes, maar worden de berekeningen totaal onhandelbaar als je gaat kijken naar tientallen of honderden deeltjes. Beetje jammer als je een materiaal wilt begrijpen dat uit vele triljoenen atomen bestaat.

Soms is het dan handiger om zo’n materiaal atoom voor atoom op te bouwen en ‘simpelweg’ te kijken wat er gebeurt. Natuurkundige Sander Otte en collega’s van de TU Delft hebben nu de eerste stap in dat proces gezet door twee deeltjes in een bijzondere toestand te brengen.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk

Van op naar neer

De deeltjes in kwestie zijn twee titaniumatomen die op iets meer dan een nanometer afstand van elkaar af staan. Deze atomen kun je zien als magneetjes die twee richtingen op kunnen staan: omhoog of omlaag. Of, zoals natuurkundigen het formuleren: de spin van zo’n deeltje is op of neer.

Aanvankelijk zorgt een magneetveld ervoor dat beide magneetjes in dezelfde richting gaan staan; op-op. Vervolgens klappen de onderzoekers een van beide, laten we zeggen de linker, om. Je krijgt dan dus de combinatie neer-op.

Die combinatie is alleen geen stabiele toestand. Na 10 tot 15 nanoseconden (miljardste seconden) gaat hij vanzelf over naar op-neer. Deze nieuwe toestand is echter net zomin stabiel; na nog eens 10 tot 15 nanoseconden verandert hij terug in neer-op… Enzovoort. ‘Je blijft dus heen en weer flippen tussen die twee toestanden’, zegt Otte.

Stroomstootje

Cruciaal bij het op gang brengen van dit verschijnsel is de manier waarop de Delftse onderzoekers het linkerdeeltje wisten om te klappen. De geijkte techniek daarvoor is een radiosignaal, vertelt Otte. Probleem is alleen dat deze techniek te traag is voor dit experiment. Het omklappen van een spin duurt namelijk zo’n 100 nanoseconden; veel langer dan de ‘levensduur’ van de twee toestanden waar de atomen voortdurend tussen switchen.

Ongeveer een jaar geleden bedachten Otte en collega’s daarom een alternatief. Met een scanning-tunnelingmicroscoop – een microscoop voorzien van een naald waarvan de punt slechts één atoom groot is – kun je een stroomstootje door een van beide atomen sturen, om zo diens spin in één keer om te klappen.

‘Dat is eigenlijk best een lompe manier’, zegt Otte. Het team vreesde dan ook dat je met zo’n stroomstootje niet twee flipfloppende atomen zou creëren, maar een stabiele toestand waarbij elk van beide deeltjes ‘een beetje op en een beetje neer’ is. Dat bleek echter niet te gebeuren.

Titaniumatoom krijgt stroomstootje
De spin van een atoom blijkt om te klappen met een stroomstootje uit een scanning-tunnelingmicroscoop. Illustratie: TU Delft

Gewoon doen

Nu is deze toestand voor twee atomen nog vrij rechttoe, rechtaan, zegt Otte. Dat verandert echter als je aan de slag gaat met drie atomen. ‘Dan begin je met op-op-op en klap je de spin van het linkerdeeltje om, zodat je neer-op-op krijgt. 10 nanoseconden later klapt dan het middelste deeltje om en krijg je op-neer-op. Voor de volgende stap zijn er echter twee mogelijkheden. Ofwel het linkerdeeltje klapt weer om, neer-op-op, ofwel het rechterdeeltje klapt om, op-op-neer. Die twee verschillende realiteiten gaan dan met elkaar interfereren. En hoe langer je de keten van atomen maakt, hoe meer verschillende mogelijkheden er zijn en hoe meer er interfereert.’

Bij een relatief klein aantal atomen is wat er gebeurt nog door te rekenen vanuit de quantummechanica, zegt Otte. ‘Maar vanaf twintig atomen kan mijn computer hier die berekening niet meer aan. En vanaf vijftig atomen zijn zelfs supercomputers daar niet meer toe in staat.’

Het idee is dan: dat wat je niet meer kunt berekenen, gewoon dóén. En dat is wat er voor Otte en zijn team nu op het programma staat: steeds meer atomen met elkaar laten flipfloppen en kijken wat er precies gebeurt.

Supergeleiding

Hopelijk werpt die aanpak uiteindelijk meer licht op quantummaterialen; materialen waarin elektronen en hun spins gedrag veroorzaken dat we nog niet helemaal begrijpen. ‘Een voorbeeld is hogetemperatuursupergeleiding’, zegt Otte. ‘Wie doorgrondt hoe dat proces precies werkt, krijgt geheid een Nobelprijs.’ Hijzelf gaat die persoon vast niet zijn, voegt hij daar snel aan toe, ‘maar ons onderzoek kan er wel aan bijdragen’.

LEESTIP: de beste verhalen uit New Scientist over quantummechanica zijn gebundeld in deze special, te bestellen in onze webshop.