Onderzoekers van de Universiteit van Bonn hebben een gas van lichte deeltjes gecreëerd dat extreem kan worden samengeperst. Hun resultaten bevestigen de voorspellingen van centrale theorieën van de kwantumfysica. De bevindingen kunnen ook de weg wijzen naar nieuwe soorten sensoren die minieme krachten kunnen meten. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Science .

Als u de uitlaat van een luchtpomp met uw vinger aansluit, kunt u de zuiger nog steeds naar beneden duwen. De reden:gassen zijn vrij eenvoudig te comprimeren, in tegenstelling tot bijvoorbeeld vloeistoffen. Als de pomp water zou bevatten in plaats van lucht, zou het in wezen onmogelijk zijn om de zuiger te bewegen, zelfs niet met de grootste inspanning.

Gassen bestaan ​​meestal uit atomen of moleculen die min of meer snel door de ruimte wervelen. Het is vergelijkbaar met licht:de kleinste bouwstenen zijn fotonen, die zich in zekere zin als deeltjes gedragen. En deze fotonen kunnen ook als een gas worden behandeld, maar een die zich enigszins ongewoon gedraagt:je kunt ze onder bepaalde omstandigheden vrijwel zonder moeite comprimeren. Dat is tenminste wat de theorie voorspelt.

Fotonen in de spiegeldoos

Onderzoekers van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde (IAP) van de Universiteit van Bonn hebben dit effect nu voor het eerst in experimenten aangetoond. "Om dit te doen, hebben we lichtdeeltjes opgeslagen in een kleine doos gemaakt van spiegels", legt dr. Julian Schmitt van het IAP uit, hoofdonderzoeker in de groep van prof. dr. Martin Weitz. "Hoe meer fotonen we erin stopten, hoe dichter het fotongas werd."

De regel is meestal als volgt:hoe dichter een gas, hoe moeilijker het is om te comprimeren. Dit is ook het geval met de verstopte luchtpomp:in het begin kan de zuiger heel gemakkelijk naar beneden worden geduwd, maar op een gegeven moment kan hij nauwelijks meer worden bewogen, zelfs niet met veel kracht. De experimenten in Bonn waren aanvankelijk vergelijkbaar:hoe meer fotonen ze in de spiegelkast stopten, hoe moeilijker het werd om het gas te comprimeren.

Het gedrag veranderde op een gegeven moment echter abrupt:zodra het fotongas een bepaalde dichtheid overschreed, kon het plotseling bijna zonder weerstand worden samengeperst. "Dit effect komt voort uit de regels van de kwantummechanica", legt Schmitt uit, die ook een geassocieerd lid is van het Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" en projectleider in het Transregio Collaborative Research Centre 185. De reden:Het licht deeltjes vertonen een "wazigheid" - in eenvoudige bewoordingen is hun locatie enigszins wazig. Omdat ze bij hoge dichtheden heel dicht bij elkaar komen, beginnen de fotonen elkaar te overlappen. Natuurkundigen spreken dan ook van een "kwantumdegeneratie" van het gas. En het wordt veel gemakkelijker om zo'n kwantumontaard gas te comprimeren.

Zelfgeorganiseerde fotonen

Als de overlap sterk genoeg is, versmelten de lichtdeeltjes tot een soort superfoton, een Bose-Einstein-condensaat. In zeer vereenvoudigde bewoordingen kan dit proces worden vergeleken met het bevriezen van water:in vloeibare toestand zijn de watermoleculen ongeordend; dan vormen zich bij het vriespunt de eerste ijskristallen, die uiteindelijk samensmelten tot een uitgestrekte, sterk geordende ijslaag. "Eilanden van orde" worden ook gevormd net voor de vorming van het Bose-Einstein-condensaat, en ze worden groter en groter met de verdere toevoeging van fotonen.

Het condensaat ontstaat pas als deze eilanden zo gegroeid zijn dat de orde zich uitstrekt over de hele spiegelkast met daarin de fotonen. Dit kan worden vergeleken met een meer waarop onafhankelijke ijsschotsen uiteindelijk zijn samengevoegd tot een uniform oppervlak. Dit vereist natuurlijk een veel groter aantal lichtdeeltjes in een uitgebreide doos dan in een kleine. "We hebben deze relatie in onze experimenten kunnen aantonen", benadrukt Schmitt.

Om een ​​gas te creëren met een variabel aantal deeltjes en een goed gedefinieerde temperatuur, gebruiken de onderzoekers een "warmtebad":"We plaatsen moleculen in de spiegelkast die de fotonen kunnen absorberen", legt Schmitt uit. "Vervolgens zenden ze nieuwe fotonen uit die gemiddeld de temperatuur van de moleculen hebben - in ons geval iets minder dan 300 Kelvin, wat ongeveer kamertemperatuur is."

De onderzoekers moesten ook een ander obstakel overwinnen:fotongassen zijn meestal niet uniform dicht - er zijn op sommige plaatsen veel meer deeltjes dan op andere. Dit komt door de vorm van de val waarin ze zich gewoonlijk bevinden. "We hebben het in onze experimenten anders aangepakt", zegt Erik Busley, eerste auteur van de publicatie. "We vangen de fotonen op in een spiegelkast met platte bodem die we hebben gemaakt met behulp van een microstructureringsmethode. Hierdoor konden we voor het eerst een homogeen kwantumgas van fotonen creëren."

In de toekomst zal de kwantumversterkte samendrukbaarheid van het gas onderzoek mogelijk maken naar nieuwe sensoren die kleine krachten kunnen meten. Naast technologische perspectieven zijn de resultaten ook van groot belang voor fundamenteel onderzoek. + Verder verkennen

Natuurkundigen splitsen fotonen onomkeerbaar op door ze te bevriezen in een Bose-Einstein-condensaat