Glazen ringetje brengt quantummechanica naar een grotere schaal
Quantumverbinding tussen licht en beweging
Natuurkundigen hebben een systeem gedemonstreerd waarin licht omgezet kan worden in een mechanische trilling en omgekeerd. De interactie is zo sterk dat de beweging van een object dat met het blote oog te zien is, kan worden gecontroleerd op het niveau waarop quantummechanica het gedrag van het object bepaalt. Dat quantumgedrag is normaal alleen zichtbaar bij veel kleinere systemen zoals enkele atomen of moleculen. Voormalig FOM-oio dr. Ewold Verhagen en een team van onderzoekers van de Zwitserse EPFL publiceren de resultaten deze week in het tijdschrift Nature.
Sinds de vorige eeuw is het duidelijk dat de beweging van objecten moet voldoen aan de wetten van de quantummechanica. Die voorspellen een aantal wonderlijke mogelijkheden: een object zou zich in principe op twee plekken tegelijkertijd kunnen bevinden, en het zal altijd een beetje bewegen, zelfs bij de temperatuur van het absolute nulpunt - het bevindt zich dan in de quantum 'grondtoestand'. Toch zien we zulk verrassend gedrag nooit in objecten waar we in het dagelijks leven mee te maken hebben. Quantumeffecten zijn namelijk alleen waar te nemen in systemen die heel goed afgeschermd zijn van de omgeving.
Grote objecten zijn in het algemeen slecht geïsoleerd, waardoor de invloed van de omgeving de quantummechanische eigenschappen van het object snel uitwist in een proces dat 'decoherentie' genoemd wordt. Tot voor kort waren wetenschappers daarom alleen in staat quantumeffecten te zien in de beweging van piepkleine objecten zoals enkele atomen en moleculen. Nu demonstreren de natuurkundigen van EPFL onder leiding van prof.dr. Tobias Kippenberg dat het mogelijk is om de beweging van een object dat bestaat uit wel 100 biljoen atomen te controleren op het niveau waarop quantummechanica domineert. Dit lukt door het object met laserlicht te beschijnen.
Een racebaan voor licht
De onderzoekers maakten een zorgvuldig gevormde glazen donut op een chip, met een diameter van 30 micrometer (ongeveer de helft van de dikte van een haar). Net als een wijnglas kan de glazen donut bij de juiste frequentie trillen. Maar tegelijkertijd werkt de vorm ook als een racebaan voor licht, dat kan rondcirkelen in de glazen donut. Terwijl het licht door de bocht gaat oefent het een kracht uit op het oppervlak van het glas. Die kracht is in principe maar heel klein, maar heeft in deze structuren een significante uitwerking omdat het licht wel een miljoen keer rond de glazen ring kan cirkelen. De lichtkracht kan de ring in beweging zetten, en laten trillen zoals een vinger die over de rand van een wijnglas wrijft. Maar het kan de trilling ook juist dempen, en zo de donut in feite afkoelen.
Koud, kouder, ...
Door decoherentie te snel af te zijn biedt dit resultaat een krachtige methode om de quantumeigenschappen van mechanische beweging te manipuleren en de wonderbaarlijke voorspellingen van quantummechanica aan het werk te zien in relatief grote, door de mens gemaakte objecten. Zo wordt het mogelijk om de grens tussen quantum- en klassiek gedrag te verkennen, en de wetten van de quantummechanica te testen op een veel grotere schaal dan tot nu toe. Maar er zijn meer mogelijkheden: mechanische oscillatoren kunnen niet alleen aan licht gekoppeld worden, maar ook aan allerlei andere quantumsystemen (bijvoorbeeld elektrische stromen). Daarom zouden ze gebruikt kunnen worden om quantuminformatie te 'vertalen' van die systemen naar lichtsignalen, die het voordeel hebben dat ze eenvoudig over grote afstand verstuurd kunnen worden in optische fibers.
Afkoelen is cruciaal om de toestand waarin quantummechanische beweging te zien is te bereiken, want zulke beweging wordt normaliter overschaduwd door willekeurige thermische beweging. De onderzoekers plaatsten daarom de glazen donut in een cryostaat – een toestel dat voor een constante lage temperatuur zorgt – die het op een temperatuur van minder dan een graad boven het absolute nulpunt brengt. De lichtkracht van laserlicht dat in de donut geschenen wordt koelt dan de beweging van de donut nog eens 100 keer sterker af, tot vlak bij de quantumgrondtoestand. Maar nog belangrijker: de interactie tussen licht en beweging blijkt zo sterk dat de twee een bijzondere verbinding vormen: een kleine lichtpuls kan volledig worden omgezet in een kleine trilling en weer terug. Voor het eerst gebeurt die omzetting van licht naar beweging zo snel dat de quantumeigenschappen van de lichtpuls tijdens de transformatie niet verloren gaan door decoherentie, en dus overgedragen worden aan de beweging van de structuur.
FOM Natuurkunde Proefschift Prijs en Rubicon
Ewold verhagen won met zijn proefschift de FOM natuurkunde proefschift Prijs 2010. Na zijn promotie vertrok hij voor 24 maanden naar de École Polytechnique Fédérale de Lausanne, waar hij zijn onderzoek uitvoert met een Rucibonbeurs van NWO. Rubicon is bedoeld voor getalenteerde jonge wetenschappers die net zijn gepromoveerd. Zij krijgen met de Rubiconsubsidie de kans om twee jaar ervaring op te doen aan een universiteit of onderzoeksinstituut in het buitenland.