De kwantummechanica dicteert gevoeligheidslimieten bij het meten van verplaatsing, snelheid en versnelling. Een recent experiment aan het Niels Bohr Instituut onderzoekt deze limieten, analyseren hoe kwantumfluctuaties een sensormembraan in beweging zetten tijdens een meting. Het membraan is een nauwkeurig model voor toekomstige ultraprecieze kwantumsensoren, waarvan de complexe aard zelfs de sleutel kan zijn om fundamentele kwantumlimieten te overwinnen. De resultaten worden gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift, Proceedings van de National Academy of Sciences .

Trillende snaren en membranen vormen het hart van veel muziekinstrumenten. Door aan een snaar te trekken, wordt deze opgewonden, met een frequentie die wordt bepaald door de lengte en spanning. Behalve de grondfrequentie - die overeenkomt met de muzieknoot - trilt de snaar ook bij hogere frequenties. Deze boventonen beïnvloeden hoe we de 'klank' van het instrument waarnemen, en laat ons een gitaar van een viool onderscheiden. evenzo, het slaan van een drumvel wekt trillingen op op een aantal frequenties tegelijk.

Deze zaken zijn niet anders bij het verkleinen, van de basdrum van een halve meter in een klassiek orkest tot het membraan ter grootte van een halve millimeter dat onlangs werd bestudeerd aan het Niels Bohr Institute. En toch, sommige dingen zijn helemaal niet hetzelfde:met behulp van geavanceerde optische meettechnieken, een team onder leiding van professor Albert Schliesser zou kunnen aantonen dat de trillingen van het membraan, inclusief al zijn boventonen, volg de vreemde wetten van de kwantummechanica. In hun experiment hebben deze kwantumwetten impliceerden dat de loutere poging om de membraantrillingen nauwkeurig te meten, het in beweging brengt. Alsof het kijken naar een trommel het al deed neuriën!

Een 'drum' met veel tonen

Hoewel het door het team van het Niels Bohr Instituut onderzochte membraan met blote ogen te zien is, de onderzoekers gebruikten een laser om de membraanbeweging nauwkeurig te volgen. En dit onthult inderdaad een aantal vibratieresonanties, die allemaal tegelijk worden gemeten. Hun frequenties liggen in het Megahertz-bereik, ongeveer duizend keer hoger dan de geluidsgolven die we horen, hoofdzakelijk omdat het membraan veel kleiner is dan een muziekinstrument. Maar de analogieën gaan door:net zoals een viool anders klinkt, afhankelijk van waar de snaar wordt aangeslagen (sul tasto vs sul ponticello), de onderzoekers konden aan het spectrum van boventonen zien op welke plaats hun membraan werd geëxciteerd door de laserstraal.

Nog, het observeren van de subtiele kwantumeffecten waar de onderzoekers het meest in geïnteresseerd waren, nog een paar trucjes nodig. Albert Schliesser legt uit:"Voor een keer, er is het probleem van het verlies van vibratie-energie, wat leidt tot wat we kwantumdecoherentie noemen. Zie het zo:in een viool, je zorgt voor een resonantielichaam, die de snaartrillingen oppikt en deze omzet in geluidsgolven die door de lucht worden meegevoerd. Dat is wat je hoort. We moesten precies het tegenovergestelde bereiken:de trillingen beperken tot alleen het membraan, zodat we zijn ongestoorde kwantumbeweging zo lang mogelijk kunnen volgen. Daarvoor moesten we een speciaal 'lichaam' ontwikkelen dat niet kan trillen op de frequenties van het membraan".

Dit werd bereikt door een zogenaamd fononisch kristal, een regelmatig patroon van gaten dat een fononische bandgap vertoont, dat is, een band van frequenties waarbij de structuur niet kan trillen. Jeghishe Tsaturyan, een promovendus in het team, realiseerde een membraan met zo'n speciaal lichaam in de Danchip-nanofabricagefaciliteiten in Lyngby.

Een tweede uitdaging bestaat uit het maken van voldoende nauwkeurige metingen. Met behulp van technieken uit de optomechanica, dat is de expertise van Schliesser, het team creëerde een speciaal experiment aan het Niels Bohr Institute, gebaseerd op een laser die op maat is gemaakt voor hun behoeften, en een paar sterk reflecterende spiegels waartussen het membraan is aangebracht. Hierdoor konden ze trillingen oplossen met amplitudes die veel kleiner zijn dan de straal van een proton (1 femtometer).

"Metingen zo gevoelig maken is niet eenvoudig, vooral omdat pompen en andere laboratoriumapparatuur met veel grotere amplituden trillen. Dus we moeten ervoor zorgen dat dit niet wordt weergegeven in ons meetrapport, ", vult promovendus William Nielsen aan.

Vacuüm verslaat de trommel

Toch is het precies het bereik van ultraprecieze metingen waar het interessant wordt. Vervolgens, het begint er toe te doen, volgens de kwantummechanica, het proces van het meten van de beweging beïnvloedt het ook. In het experiment, deze 'quantummeting backaction' wordt veroorzaakt door de onvermijdelijke kwantumfluctuaties van het laserlicht. In het kader van kwantumoptica, deze worden veroorzaakt door kwantumfluctuaties van het elektromagnetische veld in de lege ruimte (vacuüm). Hoe vreemd het ook klinkt, dit effect liet duidelijke handtekeningen achter in de gegevens van de experimenten van het Niels Bohr Instituut, namelijk sterke correlaties tussen de kwantumfluctuaties van het licht, en de mechanische beweging zoals gemeten door licht.

"Het observeren en kwantificeren van deze kwantumfluctuaties is belangrijk om beter te begrijpen hoe ze ultraprecisie mechanische metingen kunnen beïnvloeden - dat wil zeggen, metingen van verplaatsing, snelheid of versnelling. En hier, het multi-mode karakter van het membraan komt in het spel:het is niet alleen een nauwkeuriger weergave van real-world sensoren. Het kan ook de sleutel bevatten om enkele van de traditionele kwantumlimieten voor meetnauwkeurigheid te overwinnen met meer geavanceerde schema's, gebruikmaken van kwantumcorrelaties", Albert Schliesser zegt en voegt eraan toe:dat op den duur kwantumexperimenten met steeds complexere mechanische objecten kunnen ook een antwoord geven op de vraag waarom we een basdrum nooit in een kwantumsuperpositie waarnemen (of wel?).