Een rijpe appel die uit een boom valt, heeft Sir Isaac Newton geïnspireerd om een ​​theorie te formuleren die de beweging beschrijft van objecten die onderhevig zijn aan een kracht. Newtons bewegingsvergelijkingen vertellen ons dat een bewegend lichaam op een rechte lijn blijft bewegen, tenzij een storende kracht zijn pad kan veranderen. De impact van de wetten van Newton is alomtegenwoordig in onze dagelijkse ervaring, variërend van een skydiver die in het zwaartekrachtveld van de aarde valt, over de traagheid die je voelt in een versnellend vliegtuig, naar de aarde die om de zon draait.

In de kwantumwereld echter, onze intuïtie voor de beweging van objecten wordt sterk op de proef gesteld en kan soms zelfs volledig falen. Hoe zit het met het voorstellen van een knikker die door water valt en op en neer oscilleert in plaats van gewoon recht naar beneden te bewegen? Klinkt raar. Nog, dat is wat experimenteel fysicus uit Innsbruck in samenwerking met theoretici uit München, Paris en Cambridge hebben een kwantumdeeltje ontdekt. De kern van dit verrassende gedrag is wat natuurkundigen 'kwantuminterferentie' noemen, het feit dat de kwantummechanica het mogelijk maakt dat deeltjes zich als golven gedragen, die elkaar kunnen optellen of opheffen.

Nadert het absolute nulpunt

Om het kwantumdeeltje te observeren dat heen en weer oscilleert, moest het team een ​​gas van cesiumatomen koelen net boven het absolute nulpunt en het beperken tot een opstelling van zeer dunne buizen die worden gerealiseerd door krachtige laserstralen. Door middel van een speciale truc, de atomen zijn gemaakt om sterk met elkaar in wisselwerking te staan. Onder zulke extreme omstandigheden vormen de atomen een kwantumvloeistof waarvan de beweging beperkt is tot de richting van de buizen. De natuurkundigen versnelden toen een onzuiverheidsatoom, wat een atoom is in een andere spintoestand, door het gas. Terwijl dit kwantumdeeltje bewoog, er werd waargenomen dat het de gasdeeltjes verstrooide en naar achteren reflecteerde. Dit leidde tot een oscillerende beweging, in tegenstelling tot wat een knikker zou doen als hij in het water zou vallen. Het experiment toont aan dat de wetten van Newton niet kunnen worden gebruikt in het kwantumrijk.

Kwantumvloeistoffen werken soms als kristallen

Het feit dat een kwantumgolf in bepaalde richtingen kan worden gereflecteerd, is bekend sinds de vroege dagen van de ontwikkeling van de theorie van de kwantummechanica. Bijvoorbeeld, elektronen reflecteren op het regelmatige patroon van vaste kristallen, zoals een stuk metaal. Dit effect wordt 'Bragg-verstrooiing' genoemd. Echter, de verrassing in het experiment dat in Innsbruck werd uitgevoerd, was dat er geen dergelijk kristal aanwezig was om de onzuiverheid te weerkaatsen. In plaats daarvan, het was het gas van atomen zelf dat voor een soort verborgen orde in zijn rangschikking zorgde, een eigenschap die fysicus 'correlaties' noemt. Het werk van Innsbruck heeft aangetoond hoe deze correlaties in combinatie met de golf-aard van materie de beweging van deeltjes in de kwantumwereld bepalen en leiden tot nieuwe en opwindende fenomenen die de ervaringen uit ons dagelijks leven tegenwerken.

Het begrijpen van de eigenaardigheid van de kwantummechanica kan ook relevant zijn in een breder bereik, en helpen bij het begrijpen en optimaliseren van fundamentele processen in elektronische componenten, of zelfs transportprocessen in complexe biologische systemen.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .