Een groep theoretische natuurkundigen, waaronder twee natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen, hebben een 'table-top'-apparaat voorgesteld dat zwaartekrachtgolven zou kunnen meten. Echter, hun eigenlijke doel is om een ​​van de grootste vragen in de natuurkunde te beantwoorden:is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Het belangrijkste element voor het apparaat is de kwantumsuperpositie van grote objecten. Hun ontwerp is gepubliceerd in Nieuw tijdschrift voor natuurkunde op 6 augustus.

Al in de preprintfase, het papier dat is geschreven door Ryan J. Marshman, Peter F. Barker en Sougato Bose (University College London, VK), Gavin W. Morley (Universiteit van Warwick, UK) en Anupam Mazumdar en Steven Hoekstra (Rijksuniversiteit Groningen, Nederland) werd geprezen als een nieuwe methode om zwaartekrachtgolven te meten. In plaats van de huidige kilometers grote LIGO en VIRGO detectoren, de natuurkundigen die in het VK en in Nederland werkten, stelden een tafeldetector voor. Dit apparaat zou gevoelig zijn voor lagere frequenties dan de huidige detectoren en het zou gemakkelijk zijn om ze op specifieke delen van de lucht te richten - in tegenstelling, de huidige melders zien alleen een vast deel.

Diamant

Het belangrijkste onderdeel van het apparaat is een kleine diamant, slechts enkele nanometers groot. "In deze diamant, een van de koolstoffen is vervangen door een stikstofatoom, " legt assistent-professor Anupam Mazumdar uit. Dit atoom introduceert een vrije ruimte in de valentieband, die kan worden gevuld met een extra elektron. De kwantumtheorie zegt dat wanneer het elektron wordt bestraald met laserlicht, het kan de fotonenergie al dan niet absorberen. Het absorberen van de energie zou de spin van het elektron veranderen, een magnetisch moment dat zowel omhoog als omlaag kan zijn.

"Net als de kat van Schrödinger, die tegelijkertijd dood en levend is, deze elektronenspin absorbeert wel en niet de fotonenergie, zodat zijn spin zowel omhoog als omlaag gaat.' Dit fenomeen wordt kwantumsuperpositie genoemd. Omdat het elektron deel uitmaakt van de diamant, het hele object - met een massa van ongeveer 10 ^-17 kilogram, wat enorm is voor kwantumverschijnselen - bevindt zich in kwantumsuperpositie.

"We hebben een diamant die tegelijkertijd een opwaartse en neerwaartse spin heeft, " legt Mazumdar uit. Door een magnetisch veld aan te leggen, het is mogelijk om de twee kwantumtoestanden te scheiden. Wanneer deze kwantumtoestanden weer bij elkaar worden gebracht door het magnetische veld uit te schakelen, ze zullen een interferentiepatroon creëren. "De aard van deze interferentie hangt af van de afstand die de twee afzonderlijke kwantumtoestanden hebben afgelegd. En dit kan worden gebruikt om zwaartekrachtgolven te meten." Deze golven zijn samentrekkingen van de ruimte, zodat hun passeren de afstand tussen de twee gescheiden toestanden en dus het interferentiepatroon beïnvloedt.

ontbrekende schakel

Het artikel laat zien dat deze opstelling inderdaad zwaartekrachtgolven kan detecteren. Maar dat is niet waar Mazumdar en zijn collega's echt in geïnteresseerd zijn. "Een systeem waarin we kwantumsuperpositie kunnen verkrijgen van een mesoscopisch object zoals de diamant, en voor een redelijke tijd, zou een echte doorbraak zijn, ", zegt Mazumdar. "Hiermee zouden allerlei metingen kunnen worden gedaan, en een daarvan zou kunnen worden gebruikt om te bepalen of zwaartekracht zelf een kwantumfenomeen is." Kwantumzwaartekracht is al bijna een eeuw de 'missing link' in de natuurkunde.

In een paper gepubliceerd in 2017, Mazumdar en zijn oude medewerker Sougato Bose, samen met een aantal collega's, suggereerde dat verstrengeling tussen twee mesoscopische objecten zou kunnen worden gebruikt om erachter te komen of zwaartekracht zelf een kwantumfenomeen is. Simpel gezegd:verstrengeling is een kwantumfenomeen, dus als twee objecten die alleen door zwaartekracht samenwerken, verstrengeling vertonen, dit bewijst dat zwaartekracht een kwantumfenomeen is.

Technologie

"In onze laatste krant we beschrijven hoe mesoscopische kwantumsuperpositie kan worden gecreëerd. Met twee van deze systemen we waren in staat om verstrengeling te tonen." Echter, zoals ze tijdens hun werk merkten, het enkele systeem zou gevoelig zijn voor zwaartekrachtsgolven en dit werd de focus van de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde papier.

"De ontwikkeling van de technologie om deze systemen te bouwen, kan enkele decennia in beslag nemen. " Mazumdar erkent. Een vacuüm van 10 ^-15 Pascal is vereist, terwijl de bedrijfstemperatuur zo laag mogelijk moet zijn, nabij het absolute nulpunt (-273 °C). "Er is technologie beschikbaar om een ​​hoog vacuüm of een lage temperatuur te bereiken, maar we hebben de technologie nodig om beide tegelijkertijd te bereiken." het magnetische veld moet constant zijn. "Elke fluctuatie zou de kwantumsuperpositie doen instorten."

Vrije val

De beloning voor het maken van dit soort systeem zou geweldig zijn. "Het zou kunnen worden gebruikt voor allerlei soorten metingen op gebieden zoals ultralage-energiefysica of kwantumcomputers, bijvoorbeeld." En het zou kunnen, natuurlijk, worden gebruikt om te bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Mazumdar, Bose en collega's hebben zojuist nog een preprint geüpload waarin ze beschrijven hoe dit experiment zou kunnen worden uitgevoerd. "Om ervoor te zorgen dat de enige interactie tussen de twee verstrengelde objecten de zwaartekracht tussen hen is, het experiment moet in een vrije val worden uitgevoerd, " legt Mazumdar uit. Met zichtbaar enthousiasme, hij beschrijft een één kilometer lange valschacht in een diepe mijn, interferentie te verminderen. Twee verstrengelde mesoscopische kwantumsystemen moeten herhaaldelijk worden losgelaten om een ​​betrouwbare meting te verkrijgen. "Ik denk dat dit tijdens mijn leven kan worden gedaan. En het resultaat zou eindelijk een van de grootste vragen in de natuurkunde oplossen."