Is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Dat is al tientallen jaren een van de grote openstaande vragen in de natuurkunde. Samen met collega's uit het VK, Anupam Mazumdar, een natuurkundige van de Rijksuniversiteit Groningen, stelde een experiment voor dat het probleem zou kunnen oplossen. Echter, het vereist het bestuderen van twee zeer grote verstrengelde kwantumsystemen in vrije val. In een nieuwe krant die een derdejaars bachelorstudent als eerste auteur heeft, Mazumdar presenteert een manier om achtergrondgeluid te verminderen om dit experiment beter beheersbaar te maken.

Drie van de vier fundamentele krachten in de natuurkunde kunnen worden beschreven in termen van kwantumtheorie. Dit is niet het geval voor de vierde kracht (zwaartekracht), die wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het experiment dat Mazumdar en zijn collega's eerder ontwierpen, zou de kwantumaard van zwaartekracht kunnen bewijzen of weerleggen.

Superpositie

Een bekend gevolg van de kwantumtheorie is het fenomeen kwantumsuperpositie:in bepaalde situaties, kwantumtoestanden kunnen tegelijkertijd twee verschillende waarden hebben. Neem een ​​elektron dat wordt bestraald met laserlicht. De kwantumtheorie zegt dat het de fotonenergie van het licht al dan niet kan absorberen. Het absorberen van de energie zou de spin van het elektron veranderen, een magnetisch moment dat zowel omhoog als omlaag kan zijn. Het resultaat van kwantumsuperpositie is dat de spin zowel omhoog als omlaag gaat.

Deze kwantumeffecten vinden plaats in kleine objecten, zoals elektronen. Door een elektron in een speciaal geconstrueerde miniatuurdiamant te richten, het is mogelijk om superpositie te creëren in een veel groter object. De diamant is klein genoeg om deze superpositie te ondersteunen, maar ook groot genoeg om de zwaartekracht te voelen. Dit kenmerk is waar het experiment gebruik van maakt:twee van deze diamanten naast elkaar plaatsen in vrije val en, daarom, externe zwaartekracht opheffen. Dit betekent dat ze alleen op elkaar inwerken door de zwaartekracht tussen hen in.

Uitdagend

En dat is waar een ander kwantumfenomeen om de hoek komt kijken. Kwantumverstrengeling betekent dat wanneer twee of meer deeltjes dicht bij elkaar worden gegenereerd, hun kwantumtoestanden zijn gekoppeld. In het geval van de diamanten, als er een aan het draaien is, de andere, verstrikte diamant moet naar beneden worden gedraaid. Dus, het experiment is bedoeld om te bepalen of kwantumverstrengeling optreedt in het paar tijdens vrije val, wanneer de zwaartekracht tussen de diamanten de enige manier is waarop ze op elkaar inwerken.

"Echter, dit experiment is zeer uitdagend, " legt Mazumdar uit. Als twee objecten heel dicht bij elkaar staan, een ander mogelijk mechanisme voor interactie aanwezig is, het Casimir-effect. In een vacuüm, door dit effect kunnen twee objecten elkaar aantrekken. "De grootte van het effect is relatief groot en om de ruis die het veroorzaakt te overwinnen, we zouden relatief grote diamanten moeten gebruiken." Het was vanaf het begin duidelijk dat deze ruis moest worden verminderd om het experiment beter beheersbaar te maken. Mazumdar wilde weten of afscherming voor het Casimir-effect mogelijk was.

Lockdown

Hij legde het probleem voor aan Thomas van de Kamp, een derdejaars bachelorstudent Natuurkunde. "Hij kwam naar mij omdat hij geïnteresseerd was in kwantumzwaartekracht en een onderzoeksproject wilde doen voor zijn bachelorscriptie, ", zegt Mazumdar. Tijdens de lente-lockdown, toen de meeste normale lessen werden opgeschort, Van de Kamp ging aan de slag met het probleem. "Binnen opmerkelijk korte tijd hij presenteerde zijn oplossing, die wordt beschreven in onze krant."

Deze oplossing is gebaseerd op het plaatsen van een geleidende plaat van koper, ongeveer een millimeter dik, tussen de twee diamanten. De plaat schermt het Casimir-potentiaal daartussen af. Zonder de plaat dit potentieel zou de diamanten dichter bij elkaar brengen. Maar met de plaat de diamanten voelen zich niet meer tot elkaar aangetrokken, maar naar het bord ertussen. Mazumdar:"Dit verwijdert de interactie tussen de diamanten door het Casimir-effect, en haalt daardoor veel ruis uit het experiment."

Opmerkelijk

De berekeningen van Van de Kamp laten zien dat de massa's van de twee diamanten met twee ordes van grootte kunnen worden verminderd. "Het lijkt misschien een kleine stap, maar het maakt het experiment wel minder veeleisend." andere parameters, zoals het vacuümniveau dat nodig is tijdens het experiment, worden ook minder veeleisend vanwege de afscherming van het Casimir-effect. Mazumdar zegt dat een verdere update van het experiment, waarin ook een bijdrage van bachelorstudent Thomas van de Kamp, zal waarschijnlijk in de nabije toekomst verschijnen. "Dus, zijn project van zes maanden heeft hem het co-auteurschap van twee papers opgeleverd, nogal een opmerkelijke prestatie."