Gravitonen, deeltjes waarvan gedacht wordt dat ze de zwaartekracht overbrengen, zijn nog nooit waargenomen. Maar iets dat er sterk op lijkt, is nu gedetecteerd in een halfgeleider.
Natuurkundigen zijn al tientallen jaren op zoek naar gravitonen. Dat zijn hypothetische deeltjes waarvan gedacht wordt dat ze zwaartekracht overbrengen. Deze zwaartekrachtdeeltjes zijn nog nooit in het echt gevonden. Maar een groep natuurkundigen stelt nu dat zij in een halfgeleider deeltjes-achtige excitaties, ofwel ‘quasideeltjes’, hebben waargenomen die precies lijken op gravitonen.
Natuurkundigen kunnen deze graviton-achtige deeltjes gebruiken om het gedrag van echte gravitonen te begrijpen. Dit zou kunnen helpen om de algemene relativiteitstheorie en de quantummechanica, die op gespannen voet met elkaar staan, met elkaar te verenigen.
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 ...
Ongrijpbaar deeltje
‘Deze vondst is een naald in een hooiberg’, zegt natuurkundige Loren Pfeiffer van de Princeton-universiteit in de VS. Hij schreef in 1993 de publicatie waarmee het allemaal begon. Dat deed hij samen met verschillende collega’s, waaronder natuurkundige Aron Pinczuk, die in 2022 overleed voordat het team aanwijzingen van de ongrijpbare deeltjes vond. Dertig jaar na de publicatie hebben de studenten en collega’s van Pinczuk, waaronder Pfeiffer, het experiment afgerond. Het team publiceerde de bevinding in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Quantumspin
De natuurkundigen voerden hun experiment uit met elektronen in een plat vlak van de halfgeleider galliumarsenide. Deze plaatsten ze in een krachtige koelkast, en stelden ze bloot aan een sterk magnetisch veld. Onder deze omstandigheden gedragen elektronen zich vreemd door quantumeffecten. Ze gaan sterk op elkaar inwerken, en vormen een ongebruikelijke, onsamendrukbare vloeistof.
Deze vloeistof is niet kalm, maar laat collectieve bewegingen zien waarbij alle elektronen zich gezamenlijk verplaatsen. Deze collectieve bewegingen worden ’quasideeltjes’ genoemd, omdat ze zich als deeltjes gedragen.
Om deze quasideeltjes te onderzoeken, schenen de natuurkundigen een zorgvuldig afgestelde laser op de halfgeleider en analyseerden ze het licht dat er vanaf kaatste. Daaruit bleek dat de excitatie een soort quantumspin had waarvan men ooit veronderstelde dat alleen gravitonen die hadden.
Quantumspin is een eigenschap die je kunt zien als de draaiing van een deeltje. Hoewel de bevinding van het team niet een echt graviton is, lijkt het er wel het meest op van wat natuurkundigen tot nu hebben gevonden.
Excitaties
We wisten dat graviton-achtige excitaties konden bestaan in onze halfgeleider, zegt natuurkundige Ziyu Liu van de Columbia-universiteit in New York, die aan het experiment meewerkte. Het duurde echter jaren voordat de onderzoekers het experiment nauwkeurig genoeg kregen om de bijzondere deeltjes te detecteren. ‘Qua theorie was het verhaal min of meer compleet, maar in experimenten waren we echt niet zeker’, zegt Liu.
Het experiment is geen echte analogie van ruimtetijd. Elektronen zijn namelijk beperkt tot een vlakke, tweedimensionale ruimte, en bewegen veel langzamer dan objecten die onder de relativiteitstheorie vallen. Toch is het experiment ‘extreem belangrijk’, zegt natuurkundige Kun Yang van de Florida State-universiteit, die niet betrokken was bij het onderzoek. Het experiment slaat een brug tussen verschillende takken van de natuurkunde, zoals de natuurkunde van materialen en theorieën over zwaartekracht, op een voorheen ondergewaardeerde manier, zegt Yang.
Quantumzwaartekracht
We moeten wel voorzichtig zijn met het gelijkstellen van deze nieuwe bevinding met de detectie van echte gravitonen, zegt natuurkundige Zlatko Papic, van de Universiteit van Leeds in het VK. De twee lijken genoeg op elkaar om elektronensystemen te gebruiken als proeftuin voor sommige theorieën over quantumzwaartekracht. Maar je kunt deze nieuwe bevinding niet gebruiken voor het bestuderen van elk quantumfenomeen op kosmische schaal in de ruimtetijd, zegt Papic.
Verbanden tussen deze deeltjesachtige excitatie en theoretische gravitonen roepen ook nieuwe ideeën op over exotische elektronentoestanden, zegt natuurkundige Lingjie Du van de Nanjing-universiteit in China, die ook meedeed aan het onderzoek.
