Een team van theoretische natuurkundigen heeft een manier voorgesteld om zwarte gaten op een elektronische chip te simuleren. Aanvullend, de technologie die wordt gebruikt om deze in het laboratorium gemaakte zwarte gaten te creëren, kan nuttig zijn voor kwantumtechnologieën. De onderzoekers van de Universiteit van Chili, cedenna, TU Eindhoven, Universiteit Utrecht, en FOM publiceren hun resultaten in Fysieke beoordelingsbrieven op 1 februari 2017.

Zwarte gaten zijn astronomische objecten die zo dicht zijn dat niets - zelfs licht niet - aan hun zwaartekracht kan ontsnappen zodra het een punt passeert waar geen terugkeer mogelijk is, de gebeurtenishorizon. De onderzoekers hebben ontdekt hoe je zulke 'points of no return' kunt maken voor spingolven, fluctuaties die zich voortplanten in magnetische materialen, door het gedrag van deze golven te gebruiken wanneer ze interageren met elektrische stromen.

Spin golven

Magnetische materialen hebben noord- en zuidpolen. Indien verstoord, de noord- en zuidpool bewegen op een golfachtige manier van de ene positie in het materiaal naar de andere. Zo'n golf wordt een spingolf genoemd. Als er een elektrische stroom door het materiaal loopt, de elektronen slepen deze golven mee. Als je zo'n stroom door een draad leidt die aan het ene uiteinde dik en aan het andere dun is, de elektronen stromen sneller aan het dunne uiteinde, net zoals water sneller door een smalle slang stroomt. De stroom van elektronen op het dunne uiteinde van de draad kan zo snel zijn dat de meegesleepte spingolven niet meer in de tegenovergestelde richting kunnen stromen. Het punt waarop dit langs de draad gebeurt, is een point of no return voor de spingolven, analoog aan de waarnemingshorizon van een zwart gat.

Hawking-straling

In de buurt van astronomische zwarte gaten, zwaartekracht is zo sterk dat het een waarnemingshorizon veroorzaakt voor elk type deeltje. Zelfs fotonen kunnen niet ontsnappen uit een zwart gat als ze eenmaal de horizon zijn gepasseerd. 1974, Stephen Hawking ontdekte dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn, maar zendt straling uit. Grofweg gesproken, subtiele kwantummechanische effecten zorgen ervoor dat paren deeltjes en antideeltjes continu verschijnen en verdwijnen. Als dit gebeurt in de buurt van de horizon van een zwart gat, een van de deeltjes in het paar wordt soms opgeslokt door het zwarte gat, het andere deeltje achterlatend om te ontsnappen en weg te stralen. Deze zogenaamde Hawking-straling is in de ruimte bijna niet waar te nemen. Echter, de mogelijkheid om het zwarte gat op een elektronische chip te simuleren maakt het mogelijk om dit effect veel eenvoudiger te bestuderen door te kijken naar Hawking-straling van spingolven.

Quantum verstrengeling, kwantumcomputers, en toekomstig onderzoek

De deeltjes in de paren die Hawking-straling veroorzaken, zijn kwantummechanisch verstrengeld, wat betekent dat hun eigenschappen zo nauw met elkaar verweven zijn dat ze niet kunnen worden beschreven door de klassieke natuurkunde. Verstrengeling is een van de belangrijkste ingrediënten van kwantumtechnologieën zoals kwantumcomputers. Een van de richtingen die de onderzoekers nu onderzoeken, is hoe je apparaten kunt maken die gebruik maken van deze verstrengeling en kunnen dienen als bouwstenen voor toepassingen op basis van de kwantumverstrengeling van spingolven.