Kunnen we ooit een deeltje waarnemen dat zich op twee plekken tegelijk bevindt? Misschien, dankzij een nieuwe methode om de quantumtoestand van deeltjes te manipuleren. Deze techniek is nu gebruikt om een glazen kraaltje af te koelen tot zijn koudst mogelijke quantumtoestand.

Op de kleinste schaal zijn warmte en beweging uitwisselbaar: hoe meer een deeltje beweegt, hoe warmer het is. Om een deeltje af te koelen, moet je het er dus van weerhouden te bewegen. Maar doordat de regels van de quantummechanica voorschrijven dat je nooit precies kunt weten hoe snel een deeltje beweegt, zit er een grens aan hoe koud je een deeltje kunt maken. De meest ‘stilstaande’ toestand wordt de grondtoestand van het deeltje genoemd.

Natuurkundige Markus Aspelmeyer van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk en collega’s hebben een enkele laser gebruikt om een glazen deeltje van 150 nanometer – vergelijkbaar met de afmetingen van een virus – af te koelen tot de grondtoestand, zo schrijven ze in Science.

Een nieuwe winningsmethode voor diepe geothermische energie
LEES OOK
Een nieuwe winningsmethode voor diepe geothermische energie

‘Bij andere methodes is er altijd sprake van meerdere lasers en een ingewikkeld apparaat’, zegt Aspelmeyer. ‘In dit geval hebben we alleen maar één laser en het deeltje zelf nodig. Dat is het mooie van deze methode.’

Overlappend licht

De laser laat het deeltje zweven door gebruik te maken van een zogenoemde optische val. Hierbij heeft het licht interactie met het deeltje om het op zijn plek te houden. Spiegels aan beide zijden van het deeltje zorgen ervoor dat het licht met zichzelf overlapt en interfereert.

Glazen kraaltje gekoelt tot bijna absolute nulpunt
Dit zwevende kraaltje van 150 nanometer werd gekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt. Foto: Kahan Dare/Lorenzo Magrini/Yuriy Coroli/University of Vienna

Het interfererende licht kan volgens de regels van de quantummechanica maar bepaalde frequenties hebben. Hierdoor konden de onderzoekers ervoor zorgen dat het licht dat het deeltje raakte precies de juiste frequentie had. Terwijl het deeltje heen en weer trilt, versnellen sommige frequenties het door kleine hoeveelheden energie over te dragen, terwijl andere frequenties het juist vertragen door energie weg te halen.

Als alleen de frequenties die het deeltje vertragen zijn toegestaan, wordt het deeltje kouder en kouder, totdat het zijn grondtoestand heeft bereikt. In het experiment gebeurde dat bij een temperatuur van 0,000012 Kelvin (ongeveer -273 graden Celsius). Dat is een fractie boven het absolute nulpunt; de laagst mogelijke temperatuur.

Op twee plekken tegelijk

Vergelijkbare methodes zijn al gebruikt om gassen af te koelen, maar nooit eerder vaste deeltjes. De techniek zou een quantumtoestand mogelijk maken waarbij een vast object op twee plekken tegelijk bestaat, een toestand die ruimtelijke superpositie heet, zegt Aspelmeyer.

‘Andere koude-atomen-experimenten kunnen ook superposities creëren, maar nooit een superpositie waarbij alle atomen waar een voorwerp uit bestaat zich op twee verschillende plekken bevinden’, aldus Aspelmeyer. Het deeltje waar het in zijn experiment om ging, bestond uit circa 100 miljoen atomen.

Gekoeld kraaltje opstelling
Twee wetenschappers met de opstelling waarmee ze een kraaltje wisten af te koelen tot zijn quantummechanische grondtoestand. Foto: Lorenzo Magrini/Yuriy Coroli/University of Vienna

Ultieme doel

Vaste stoffen afkoelen en hun quantumtoestand meten is belangrijk voor het ultieme doel van de wetenschappers: het onderzoeken van de quantumeigenschappen van de zwaartekracht. Het is namelijk veel makkelijker om de zwaartekracht van een compacte vaste stof te testen dan van een ijl gas.

Met zo’n opstelling zouden we kunnen testen of de zwaartekracht zich nog hetzelfde gedraagt als een voorwerp zich op twee plekken tegelijk bevindt. Ook zouden we ervan kunnen leren hoe de zwaartekracht zich in zijn algemeenheid gedraagt met betrekking tot quantumobjecten.

Echt quantum
LEESTIP. In dit boek bespreekt Martijn van Calmthout hoe quantumfysica steeds alledaagser wordt. Bestel in onze webshop