Zeer onlangs, onderzoekers onder leiding van Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen en Lukas Novotny aan de ETH Zürich hebben voor het eerst een glazen nanodeeltje in het kwantumregime gekoeld. Om dit te doen, het deeltje wordt met behulp van lasers van zijn kinetische energie beroofd. Wat overblijft zijn bewegingen, zogenaamde kwantumfluctuaties, die niet langer de wetten van de klassieke fysica volgen, maar die van de kwantumfysica. De glazen bol waarmee dit is bereikt is beduidend kleiner dan een zandkorrel, maar bestaat nog steeds uit enkele honderden miljoenen atomen. In tegenstelling tot de microscopische wereld van fotonen en atomen, nanodeeltjes geven inzicht in de kwantumaard van macroscopische objecten. In samenwerking met experimenteel natuurkundige Markus Aspelmeyer, een team van theoretische fysici onder leiding van Oriol Romero-Isart van de Universiteit van Innsbruck en het Institute of Quantum Optics and Quantum Information van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen stelt nu een manier voor om de kwantumeigenschappen van nanodeeltjes voor verschillende toepassingen te benutten.

Kort gedelokaliseerd

"Terwijl atomen in de bewegende grondtoestand rondkaatsen over afstanden die groter zijn dan de grootte van het atoom, de beweging van macroscopische objecten in de grondtoestand is zeer, heel klein, " leggen Talitha Weiss en Marc Roda-Llordes van het team van Innsbruck uit. "De kwantumfluctuaties van nanodeeltjes zijn kleiner dan de diameter van een atoom." de golffunctie van de deeltjes moet sterk worden uitgebreid. In het schema van de kwantumfysici van Innsbruck, nanodeeltjes worden gevangen in optische velden en afgekoeld tot de grondtoestand. Door ritmisch deze velden te veranderen, de deeltjes slagen er nu in korte tijd over exponentieel grotere afstanden te delokaliseren. "Zelfs de kleinste verstoringen kunnen de samenhang van de deeltjes vernietigen, daarom, door de optische potentialen te veranderen, we trekken de golffunctie van de deeltjes maar even uit elkaar en drukken hem dan meteen weer samen, " legt Oriol Romero-Isart uit. Door herhaaldelijk het potentieel te veranderen, de kwantumeigenschappen van het nanodeeltje kunnen zo worden benut.

Veel toepassingen

Met de nieuwe techniek, de macroscopische kwantumeigenschappen kunnen in meer detail worden bestudeerd. Het blijkt ook dat deze toestand erg gevoelig is voor statische krachten. Dus, de methode kan zeer gevoelige instrumenten mogelijk maken waarmee krachten als de zwaartekracht heel nauwkeurig kunnen worden bepaald. Met behulp van twee deeltjes tegelijk geëxpandeerd en gecomprimeerd door deze methode, het zou ook mogelijk zijn om ze te verstrengelen via een zwakke interactie en geheel nieuwe gebieden van de macroscopische kwantumwereld te verkennen.

Samen met andere voorstellen het nieuwe concept vormt de basis voor het ERC Synergy Grant project Q-Xtreme, die vorig jaar werd toegekend. In dit project, de onderzoeksgroepen van Markus Aspelmeyer en Oriol Romero-Isart, samen met Lukas Novotny en Romain Quidant van ETH Zürich, duwen een van de meest fundamentele principes van de kwantumfysica tot het uiterste door een vast lichaam van miljarden atomen op twee plaatsen tegelijk te positioneren.