In 1920 schreef natuurkundige Erwin Schrödinger een vergelijking die voorspelt hoe ‘golfdeeltjes’ zich zouden moeten gedragen. Nu kunnen onderzoekers deze voorspellingen perfect nabootsen in het lab.

Dit is het duidelijkste beeld ooit van individuele atomen die zich gedragen als een golf, zoals voorspeld door de quantummechanica. Dit soort afbeeldingen kunnen onderzoekers helpen om dit vreemde en slecht begrepen quantumgedrag te bestuderen.

Individuele lithiumatomen zijn zichtbaar als rode stipjes. Beeld: Joris Verstraten, et al.

Golfpakket beteugelen

Een belangrijk inzicht van de quantumtheorie is dat deeltjes zoals atomen zich kunnen gedragen als golven. De golfvorm die een atoom kan aannemen, staat bekend als een ‘golfpakket’. Dit kun je je voorstellen als een reeks rimpelingen aan een wateroppervlak, maar dan meer gebundeld en samengeperst.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

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 ...

Natuurkundigen kunnen precies voorspellen hoe een golfpakket in de tijd zal veranderen. Hiervoor gebruiken ze de Schrödingervergelijking, ontwikkeld door de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger. Dat maakt het analyseren van golfpakketten een geweldige manier om te testen hoe goed we een atoom in de quantumwereld kunnen manipuleren en afbeelden, zegt natuurkundige Tarik Yefsah van het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek en de École normale supérieure in Parijs. Hij en zijn collega’s deden dit in een experiment met extreem koude lithiumatomen.

Koelende lasers

Om de atomen af te beelden, moesten de onderzoekers ze afkoelen tot bijna het absolute nulpunt (-273,15 °C). Hiervoor plaatsten ze lithiumatomen in een kleine, luchtledige kamer en bestookten ze met lasers en magnetische velden. Daardoor nam hun energie af en werden ze koeler.

De onderzoekers gebruikten dezelfde instrumenten om de quantumtoestanden van de atomen – en zo hun golfvorm – te controleren. Ze rangschikten de atomen zodanig dat ze niet te dicht bij elkaar zaten en zorgden ervoor dat de quantumtoestand van elk atoom overeenkwam met een golfpakket. Daarna lieten ze de atomen los om te zien hoe de golfpakketten veranderden.

Volgens de regels van de quantumfysica kun je geen golfpakket fotograferen. Als je een golffunctie probeert af te beelden, dan stort de golfvorm namelijk in en ‘zie’ je enkel een deeltje op een bepaalde plek. De onderzoekers omzeilden dit door meerdere afbeeldingen te maken en daar het gemiddelde van te nemen. Hierdoor reconstrueerden ze een zogenoemde waarschijnlijkheidsdichtheid van waar het atoom zich bevindt, wat overeenkomt met een golfpakket.

In de afbeeldingen begon elk atoom als een klein stipje. De Schrödingervergelijking voorspelt dat een golfpakket dat vrij kan bewegen zich zal uitspreiden als de tijd verstrijkt. De afbeeldingen van de lithiumatomen die Yefsah en zijn collega’s maakten, lieten precies dat zien. Ook konden ze laten zien hoe het veranderen van de initiële eigenschappen van het golfpakket, zoals de breedte, de manier veranderde waarop het pakket zich uitspreidde. In alle gevallen kwamen de waarnemingen op hun beelden overeen met de beroemde vergelijking.

Nauwkeurige controle

Natuurkundige Peter Schauss van de Universiteit van Virginia in de Verenigde Staten zegt dat het golfpakket zo’n goed begrepen onderdeel van de quantumtheorie is dat deze bevindingen niet verrassend zijn. Maar het toont wel aan dat de onderzoekers een hoge mate van controle hadden over de processen waarmee ze de atomen afkoelden en nauwkeurig hebben afgebeeld.

Die controle biedt de mogelijkheid tot verder onderzoek. De atomen die in het experiment gebruikt zijn behoren tot een deeltjestype genaamd fermionen. Volgens Schauss zijn fermionen zeer interessant voor natuurkundigen, vooral als er sprake is van onderlinge wisselwerking. Theoretici denken bijvoorbeeld dat ultrakoude fermionen, met sterke onderlinge wisselwerking, nieuwe quantumfasen van materie zouden kunnen vormen. De wiskunde die kan voorspellen hoe dit precies gebeurt, is echter te moeilijk. Experimenten zouden meer duidelijkheid kunnen bieden, zegt Schauss. Maar tot nu toe was het lastig om fermionen af te koelen tot extreem lage temperaturen.

Yefsah en zijn collega’s hopen hun gecontroleerde werkwijze nu te kunnen gebruiken voor dergelijke systemen met atomen met sterke onderlinge wisselwerking. In de extreemste gevallen zouden hun beelden quantumgolfgedragingen kunnen onthullen die vergelijkbaar zijn met die van de quantummaterie binnen in ongelooflijk compacte neutronensterren. Of in de dichte ‘soep’ van deeltjes die vlak na de oerknal bestond.