De Casimir-kracht en supergeleiding zijn twee bekende kwantumeffecten. Deze verschijnselen zijn afzonderlijk grondig bestudeerd, maar wat gebeurt er als deze effecten worden gecombineerd in één experiment? Nutsvoorzieningen, De Technische Universiteit Delft heeft een microchip gemaakt waarop twee draden dicht bij elkaar zijn geplaatst om de Casimir-krachten te meten die erop inwerken wanneer ze supergeleidend worden.

Is vacuüm echt leeg? De kwantummechanica vertelt ons dat het wemelt van de deeltjes. In de jaren veertig, De Nederlandse natuurkundigen Hendrik Casimir en Dirk Polder voorspelden dat wanneer twee objecten heel dicht bij elkaar worden geplaatst, ongeveer een duizendste van de diameter van een mensenhaar, deze zee van 'vacuümdeeltjes' duwt ze samen - een fenomeen dat bekend staat als het Casimir-effect. Deze aantrekkingskracht is aanwezig tussen alle objecten en stelt zelfs fundamentele grenzen aan hoe dicht we componenten op microchips bij elkaar kunnen plaatsen.

Supergeleiding is een ander bekend kwantumfenomeen, ook ontdekt door een Nederlander, Heike Kamerlingh Onnes, in het begin van de 20e eeuw. Het beschrijft hoe bepaalde materialen, zoals aluminium of lood, laat er bij cryogene temperaturen zonder enige weerstand elektriciteit doorheen stromen. In de afgelopen 100 jaar, supergeleiders hebben een revolutie teweeggebracht in ons begrip van natuurkunde en zijn verantwoordelijk voor magnetisch zwevende treinen, MRI-scans en zelfs gsm-stations.

Buiten bereik

Hoewel het Casimir-effect en supergeleiding beide veel bestudeerde kwantumverschijnselen zijn, er is bijna niets bekend over het samenspel tussen de twee, en dit is waar sommige natuurkundigen denken dat enkele van de volgende wetenschappelijke doorbraken zouden kunnen liggen. De Casimir-kracht is overtuigend aangetoond tussen verschillende materialen. Echter, het gebruik van supergeleiders om het effect te meten is buiten bereik gebleven vanwege de enorme technologische uitdagingen bij ultrakoude temperaturen.

In een nieuwe publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven , Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben een nieuwe ultramoderne sensor geïntroduceerd waarmee ze voor het eerst de krachten tussen dicht bij elkaar staande supergeleiders kunnen meten. De sensor bestaat uit een microchip waarop twee strengen dicht bij elkaar zijn geplaatst. Deze draden kunnen vervolgens worden afgekoeld tot cryogene temperaturen, waardoor ze supergeleidend zijn. "De snaren hebben gaten in het midden die fungeren als een optische resonator, ", zei groepsleider Simon Gröblacher. "Laserlicht van een bepaalde golflengte wordt daarin gevangen. We kunnen dit licht gebruiken om kleine verplaatsingen tussen de twee draden te meten, wat betekent dat we de krachten kunnen meten die erop inwerken bij elke temperatuur."

Aanvullende tests

Met hun ongekende krachtgevoeligheid, de onderzoekers zijn ook in staat om enkele zeer speculatieve theorieën over kwantumzwaartekracht te onderzoeken bij temperaturen rond het absolute nulpunt - een heilige graal van de natuurkunde. "We zouden een van de meer onwaarschijnlijke en controversiële kwantumzwaartekrachttheorieën kunnen weerleggen, die voorspelde dat we een sterk Casimir-achtig effect zouden zien als gevolg van zwaartekrachtvelden die terugkaatsen op de supergeleiders, " zei Richard Norte, de eerste auteur van het artikel. "We hebben een dergelijk effect niet gemeten met onze huidige gevoeligheid." Als er een zwaartekracht Casimir-effect is, het is subtieler dan deze theorie voorspelde.

De nieuwe microchips maken de weg vrij voor verdere experimenten op een onbekend terrein van de wetenschap waar deze twee beroemde kwantumeffecten botsen. De onderzoekers hopen in de nabije toekomst de gevoeligheid van hun microchipsensoren verder te vergroten en mogelijk het Casimir-effect tussen supergeleiders bij hoge temperaturen te onderzoeken. Het blijft een open vraag hoe, precies, supergeleiding werkt in deze exotische materialen, en Casimir-experimenten zouden de onderliggende fysica kunnen verlichten.