Proefopzet (afb: Carlos Gonzalez Ballestero et al./Nature Physics)

Onderzoekers van de TU Wenen is en de ETH in Zürich hebben, naar eigen zeggen, een verbluffend wereldrecord gevestigd door ‘enorme’ glasdeeltjes kwan-tumeigenschap-pen te laten vertonen bij kamer-temperatuur en niet bij die onaan-genaam lage tem-peraturen in de buurt van het absolute nulpunt (0 K).
Waar liggen de grenzen van de kwantummechanica? Dit is een vraag die al decennialang wereldwijd wordt onderzocht. Als je de eigenschappen van de kwantumwereld voor technische doeleinden wil benutten, dan moet je begrijpen of objecten die aanzienlijk groter zijn dan atomen en moleculen ook kwantumverschijnselen kunnen vertonen.
Je kan dan glasbolletjes van 100 nm nemen (eenduizendste van een zandkorrel, maar voor kwantumbegrippen ‘enorm groot’). Vertonen die kwantumverschijnselen? Een onderzoeksgroep aan de ETH Zürich, met theoretische ondersteuning van de TU Wenen, heeft nu een doorbraak bereikt: ze konden aantonen dat de rotatietrillingen van dergelijke deeltjes zich kwantumfysisch gedragen, niet alleen wanneer ze met behulp van complexe koelprocessen dicht bij het absolute nulpunt worden gebracht, maar zelfs bij kamertemperatuur.
“Een microscopisch klein deeltje zal altijd een beetje schommelen”, zegt Carlos Gonzalez-Ballestero van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wenen. “Deze schommeling hangt af van de temperatuur en hoe het deeltje door zijn omgeving wordt beïnvloed.”

In het dagelijks leven gaan we ervan uit dat elke trilling mogelijk is. De slinger van een slingeruurwerk kan bijvoorbeeld in elke gewenste mate worden afgebogen; hij kan naar wens iets meer of iets minder in trilling worden gebracht. In de kwantumwereld ligt dat echter anders: als je kijkt naar trillingen met zeer lage energie, merk je dat er heel specifieke “vibratiequanta” bestaan.
Er is een minimale trilling, de zogenaamde ‘grondtoestand’, een volgende, hogere trilling die iets meer energie met zich meebrengt (de ‘eerste aangeslagen toestand’), enzovoort. Er zijn geen tussenliggende toestanden, maar het deeltje kan zich in een kwantumfysische combinatie van verschillende trillingstoestanden bevinden. Dat is een van de centrale basisconcepten van de kwantummechanica.

“Het is erg moeilijk om een nanodeeltje in een toestand te brengen waarin zijn kwantumeigenschappen zichtbaar worden”, zegt Gonzalez-Ballestero. “Je moet het deeltje laten zweven om het zo goed mogelijk te ontkoppelen van eventuele verstoringen. Meestal moet je ook zorgen voor extreem lage temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt bij -273,15°C.”

De onderzoekers hebben nu een techniek ontwikkeld die een heel specifiek aspect van het nanodeeltje in een kwantummechanisch domein brengt, ook al bevindt het deeltje zich in een hete, ongeordende toestand. Gonzalez-Ballestero: “We gebruiken een nanodeeltje dat niet perfect rond is, maar enigszins elliptisch. Als je zo’n deeltje in een elektromagnetisch veld houdt, breng je het in een soort rotatietrilling. Onze vraag was: kunnen we de kwantumeigenschappen van deze rotatietrilling zien? Kunnen we energie uit deze rotatiebeweging halen totdat deze zich overwegend in de kwantumgrondtoestand bevindt?”

Lasers en spiegels

Hiervoor werden laserstralen en spiegelsystemen gebruikt. “De laser kan energie aan het nanodeeltje toevoegen of juist verwijderen”, legt de onderzoeker uit. “Door de spiegels op de juiste manier af te stellen, kun je ervoor zorgen dat er met een hoge waarschijnlijkheid energie wordt onttrokken en met een lage waarschijnlijkheid wordt toegevoegd. De energie van de rotatiebeweging neemt dus af totdat we de kwantumgrondtoestand naderen.”
Om dit te bereiken, moesten echter enkele lastige theoretische problemen worden opgelost: de kwantumruis van de lasers moest correct worden begrepen en beheerst.

Uiteindelijk slaagden de onderzoekers erin aan te tonen dat de rotatie kan worden ingesteld op een toestand die bijna uitsluitend overeenkomt met de kwantummechanische grondtoestand. Het verbazingwekkende hieraan is dat het nanodeeltje niet is afgekoeld; integendeel, het is enkele honderden graden heet.

“Je moet hier verschillende vrijheidsgraden afzonderlijk beschouwen”, legt Gonzalez-Ballestero uit. “De energie van de rotatiebeweging kan op deze manier zeer effectief worden verminderd. Je hoeft niet tegelijkertijd de interne thermische energie van het nanodeeltje te verminderen. Verbazingwekkend genoeg kan de rotatie in zekere zin bevriezen, ook al heeft het deeltje zelf een hoge temperatuur.”

Op deze manier kon een toestand worden gecreëerd die in termen van de kwantumfysica aanzienlijk ‘zuiverder’ is dan voorheen mogelijk was met vergelijkbare deeltjes en dit ondanks het feit dat er geen koeling nodig was. “Dit heeft ons in staat gesteld de grenzen van de kwantummechanica op een technisch verbazingwekkend praktische manier te verleggen”, aldus Gonzalez-Ballestero. “We kunnen nu stabiel en betrouwbaar de kwantumeigenschappen van objecten bestuderen waar dit voorheen nauwelijks mogelijk was.”Carlos Gonzalez Ballestero

Bron: idw-online.de