Quantumdeeltjes lijken superkrachten te hebben. Zo kunnen ze door schijnbaar ondoordringbare barrières heen schieten. Onderzoekers van de Universiteit van Toronto in Canada hebben voor het eerst gemeten hoe lang zulke deeltjes, in dit geval ijskoude atomen, daarover doen.
Bij quantumtunneling passeert een deeltje een energiebarrière, hoewel het daar niet genoeg energie voor lijkt te hebben. Zie het als een bal die een heuvel oprolt. Als je de bal maar genoeg snelheid – en dus genoeg energie – meegeeft, kan hij over de heuvel heen rollen. Is dat niet zo, dan rolt hij terug.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Dat quantumdeeltjes in zo’n geval soms tóch over de heuvel heen rollen, heeft ermee te maken dat je zulke deeltjes ook kunt zien als een golf. Die golf geeft de kans weer om het deeltje ergens te vinden. En de kans om het deeltje aan de andere kant van een barrière te vinden is klein, maar niet nul.
‘Dit noemen fysici quantumtunnelen, omdat het is alsof het deeltjes een tunnel door de heuvel heeft gegraven om aan de andere kant te komen’, legt fysicus Aephraim Steinberg van de Universiteit van Toronto uit in een podcastaflevering van Physics World.
Koude quantumdeeltjes
Voor hun onderzoek koelden de fysici rubidiumatomen af tot een miljardste graad boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). Bij deze lage temperatuur is hun quantumgolflengte vrij groot, waardoor ze door relatief brede barrières kunnen tunnelen.
Ze creëerden een barrière van 0,0013 millimeter breed door een blauwe laserbundel te maken met een frequentie die de atomen afstoot. Als de atomen deze laserbundel naderen, reageren ze als een bal die een te steile helling op probeert te komen, maar telkens terug rolt.
Vervolgens stuurden de onderzoeken vijf- tot tienduizend rubidiumatomen met een snelheid van enkele millimeter per seconde op de barrière af. Aan de andere kant van de laserbundel bekeken ze de atomen die door de barrière heen getunneld waren. Dit was slechts een paar procent van de atomen.
Spinklokjes
Om te meten hoe lang de atomen over het tunnelen hadden gedaan, moesten ze voorzien worden van een soort horloge. Hiervoor gebruiken de onderzoekers de zogeheten spin van de atomen. Deze quantummechanische eigenschap kun je zien als een kompasnaaldje dat met een bekende, vast frequentie gaat roteren als je het in een magneetveld plaatst. Als een klokje dat alleen tikt in de buurt van een magneet.
De onderzoekers stelden hun experiment zo op dat de spins van de atomen alleen een magneetveld voelden als ze zich ín de laserbarrière bevonden. Daardoor tikten spinklokjes alleen daar. Daardoor konden de onderzoekers door de spin te meten, bepalen hoe lang de atomen in de barrière hadden doorgebracht.
De atomen bleken er ongeveer 0,62 milliseconde over te doen om door de 0,0013 millimeter brede barrière te tunnelen. Het is voor het eerst dat quantumtunnelen zo precies geklokt is.
Nooit in het midden
Steinberg vertelt in de genoemde podcastaflevering dat hij in vervolgexperimenten wil uitzoeken hoe lang een atoom op verschillende plekken in de barrière doorbrengt. Daarvoor wil hij het magneetveld smaller maken dan de laserbundel, waardoor het klokje alleen in dat deel van de barrière tikt.
Zo hoopt hij de theoretische voorspelling te testen die stelt dat atomen zich alleen in het begin en einde bevinden en nooit in het midden van de barrière. Dat zou verklaren waarom sommige deeltjes sneller dan het licht door barrières lijken te kunnen tunnelen.