Atomen wisselwerken op grote afstand
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, de Stichting FOM en de Auburn University (Verenigde Staten) hebben voor het eerst waargenomen dat afzonderlijke atomen met elkaar wisselwerken op de spectaculaire afstand van veertig micrometer, de dikte van een haar. Dit is bijzonder, want normaal beïnvloeden atomen - omdat ze elektrisch neutraal zijn - elkaar alleen op afstanden die vergelijkbaar zijn met hun eigen grootte (ongeveer 0,1 nanometer). De onderzoekers hebben de atomen met behulp van twee lasers duizendvoudig vergroot en dan blijken ze invloed op elkaar uit te oefenen tot op een miljoen keer hun oorspronkelijke grootte. Dit opent een alternatieve weg naar het maken van quantumbits, bouwstenen voor een quantumcomputer, nu op micrometerschaal in plaats van op nanometerschaal. De onderzoekers hebben hun resultaten op 20 juni gepubliceerd in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Natuurkundige Carolijn van Ditzhuijzen en haar collega's hebben rubidiumatomen vergroot met behulp van lasers: het laserlicht slingert het buitenste elektron van het atoom verder naar buiten. Ze gebruiken twee nauwe laserbundels die op veertig micrometer afstand staan. De grote atomen worden dus gecreëerd in twee gescheiden smalle volumes, bepaald door de plaats waar het laserlicht is langsgekomen. Na de laserpulsen wordt de atomen vrij spel gegeven. Het blijkt dat de atomen in het ene volume energie verliezen, terwijl de atomen in het andere volume dezelfde hoeveelheid energie winnen. Dit energietransport wordt mogelijk gemaakt door de zogenaamde dipool-dipool interactie, een speciaal geval van de bekende Van der Waals interactie, verantwoordelijk voor bijvoorbeeld het bij elkaar houden van moleculen in vloeistoffen. Tijdens de interactie bewegen de atomen zelf niet. Dit is gewaarborgd doordat er met koude atomen wordt gewerkt: de atomen hebben een temperatuur die een miljoen keer lager is dan kamertemperatuur en dus een snelheid die duizend keer kleiner is dan de normale geluidssnelheid. Na een zekere interactietijd worden de atomen gedetecteerd door met een elektrisch veld het los gebonden elektron er helemaal af te trekken. Hiermee wordt vastgesteld in welke toestand de atomen zaten, met andere woorden, hoeveel energie het buitenste elektron had.
In feite zijn er twee computerbits geschreven, een bit 1 in de linker bundel en een bit 0 in de rechter, die na de interactie een 0 links en 1 rechts zijn geworden. De atomen houden zich aan de wetten van de quantummechanica; de bits zijn dus eigenlijk quantumbits. Anders dan veel andere ideeën voor quantumcomputers is hier de belangrijkste afstandsschaal geen nanometer, maar micrometer: nanotechnologie op een micrometerschaal. Een ander verschil is dat door mensen gemaakte structuren variatie kunnen vertonen, terwijl atomen volmaakt identiek zijn.
Meer informatie bij drs. Carolijn van Ditzhuijzen, Van der Waals-Zeeman Instituut, Universiteit van Amsterdam, telefoon: (020) 525 63 10.
Referentie:
Carolijn van Ditzhuijzen, Femius Koenderink, Jesus Hernández, Francis Robicheaux, Bart Noordam en Ben van Linden van den Heuvell, "Spatially Resolved Observation of Dipole-Dipole Interaction between Rydberg Atoms", Phys. Rev. Lett. vol. 100, pagina 243201 (2008).