Wetenschap
Hoe een knijping van het wereldrecord troost kan bieden voor jagers op donkere materie
De kwantumingenieurs van UNSW hebben een nieuwe versterker ontwikkeld die andere wetenschappers zou kunnen helpen bij het zoeken naar ongrijpbare donkere materiedeeltjes.
Stel je voor dat je een bal gooit. Je zou verwachten dat de wetenschap op elk moment de exacte snelheid en locatie kan bepalen, toch? Welnu, de theorie van de kwantummechanica zegt dat je beide niet tegelijkertijd met oneindige precisie kunt weten.
Het blijkt dat naarmate je nauwkeuriger meet waar de bal zich bevindt, de snelheid ervan steeds minder nauwkeurig wordt.
Dit raadsel wordt gewoonlijk het onzekerheidsprincipe van Heisenberg genoemd, genoemd naar de beroemde natuurkundige Werner Heisenberg die het voor het eerst beschreef.
Voor de bal is dit effect niet waarneembaar, maar in de kwantumwereld van kleine elektronen en fotonen wordt de meetonzekerheid ineens heel groot.
Dat is het probleem dat wordt aangepakt door een team van ingenieurs van UNSW Sydney, die een versterkerapparaat hebben ontwikkeld dat nauwkeurige metingen uitvoert van zeer zwakke microgolfsignalen, en dit gebeurt via een proces dat bekend staat als knijpen.
Knijpen in de magnetron
Bij knijpen wordt de zekerheid van één eigenschap van een signaal verminderd om uiterst nauwkeurige metingen van een andere eigenschap te verkrijgen.
Het team van onderzoekers van UNSW, onder leiding van universitair hoofddocent Jarryd Pla, heeft de nauwkeurigheid van het meten van signalen op microgolffrequenties, zoals die uitgezonden door je mobiele telefoon, aanzienlijk vergroot, tot het punt waarop een nieuw wereldrecord is gevestigd.
De nauwkeurigheid van het meten van welk signaal dan ook wordt fundamenteel beperkt door ruis. Ruis is de wazigheid die binnensluipt en signalen maskeert, iets wat je wellicht hebt ervaren als je ooit buiten bereik bent geweest bij het luisteren naar AM- of FM-radio.
De onzekerheid in de kwantumwereld betekent echter dat er een grens is aan de mate waarin een meting weinig ruis kan opleveren.
“Zelfs in een vacuüm, een ruimte waar alles leeg is, vertelt het onzekerheidsprincipe ons dat we nog steeds ruis moeten hebben. We noemen dit ‘vacuümruis’. Voor veel kwantumexperimenten is vacuümruis het dominante effect dat ons ervan weerhoudt preciezere metingen te doen. ”, zegt A/Prof. Pla van UNSW's School of Electrical Engineering and Telecommunications, en co-auteur van een artikel gepubliceerd in Nature Communications .
De door het UNSW-team geproduceerde squeezer kan deze kwantumlimiet verslaan.
"Het apparaat versterkt geluid in de ene richting, zodat geluid in een andere richting aanzienlijk wordt verminderd, oftewel 'geknepen'. Beschouw het geluid als een tennisbal:als we het verticaal uitrekken, moet het langs de horizontale lijn afnemen om zijn volume te behouden. We kunnen het gereduceerde deel van het geluid dan gebruiken om nauwkeurigere metingen te doen", aldus A/Prof. Pla zegt.
"Cruciaal is dat we hebben laten zien dat de knijper in staat is om het geluid tot recordniveaus te reduceren."
Het apparaat was het resultaat van nauwgezet werk. Ph.D. kandidaat Arjen Vaartjes, mede-hoofdauteur van het artikel samen met UNSW-collega's Dr. Anders Kringhøj en Dr. Wyatt Vine, voegt hieraan toe:"Knijpen is erg moeilijk bij microgolffrequenties omdat de gebruikte materialen de neiging hebben om het fragiele samengedrukte geluid vrij gemakkelijk te vernietigen." P>
"Wat we hebben gedaan is veel techniek om bronnen van verlies te elimineren, wat betekent dat we supergeleidende materialen van zeer hoge kwaliteit moeten gebruiken om de versterker te bouwen."
En het team is van mening dat het nieuwe apparaat de zoektocht naar notoir ongrijpbare deeltjes, bekend als axions, zou kunnen helpen versnellen. Deze deeltjes zijn tot nu toe slechts theoretisch, maar worden door velen voorgesteld als het geheime ingrediënt van mysterieuze donkere materie.
Axionmetingen
Het maken van nauwkeurige metingen is het domein van wetenschappers die proberen te ontdekken wat donkere materie inhoudt. Er wordt aangenomen dat deze ongeveer 27 procent van het bekende heelal uitmaakt, maar het blijft een kosmisch mysterie omdat wetenschappers deze materie niet daadwerkelijk hebben kunnen identificeren.
Zoals de naam doet vermoeden, straalt of absorbeert het geen licht, wat het 'onzichtbaar' maakt. Maar natuurkundigen geloven dat het er wel moet zijn, en dat het een zwaartekracht uitoefent, anders zouden sterrenstelsels uit elkaar vliegen.
Er zijn veel verschillende theorieën over waaruit donkere materie zou kunnen bestaan, inclusief het voorgestelde bestaan van zogenaamde axions.
Axionen zelf zijn ook nooit ontdekt. De theorie is dat ze bijna ondoorgrondelijk klein zijn, met een extreem lage massa als individueel deeltje, en daarom vrijwel onmerkbaar interageren met andere bekende materie.
Eén idee voorspelt echter dat assen bij blootstelling aan grote magnetische velden zeer zwakke microgolfsignalen zouden moeten produceren. Wetenschappers gebruiken zeer gevoelige apparatuur en voeren nauwgezette metingen uit in een poging die minieme signalen te ontdekken.
Maar zoals A/Prof. Pla zegt:"Als je deeltjes probeert te detecteren die zo spookachtig zijn als axionen, kan zelfs vacuümgeluid oorverdovend zijn."
Het werk dat bij UNSW op het gebied van knijpen is gedaan, betekent dat deze metingen nu tot zes keer sneller kunnen worden uitgevoerd, waardoor de kans op het ontdekken van een ongrijpbare axion groter wordt.
"Axion-detectoren kunnen knijpers gebruiken om ruis te verminderen en hun metingen te versnellen. Onze resultaten geven aan dat deze experimenten nu nog sneller dan voorheen kunnen worden uitgevoerd", zegt A/Prof. Pla.
"Wetenschappers kunnen de effecten van donkere materie op sterrenstelsels zien, maar niemand heeft het ooit ontdekt. Totdat je een axion fysiek meet, zal het alleen maar een theorie zijn over hoe donkere materie zich manifesteert."
Breed gebruik
Gezamenlijk hoofdauteur Dr. Vine zegt dat er andere toepassingen zijn voor het nieuwe versterkerapparaat van het team.
"Wat we in ons onderzoek ook hebben laten zien, is dat het apparaat bij hogere temperaturen kan worden gebruikt dan eerdere knijpers en ook bij grote magnetische velden", zegt Dr. Vine.
"Dit opent de deur voor de toepassing ervan in technieken als spectroscopie, die wordt gebruikt om de structuur van nieuwe materialen en biologische systemen zoals eiwitten te bestuderen. De samengeperste ruis betekent dat je kleinere volumes kunt bestuderen of monsters met grotere precisie kunt meten."
Dr. Kringhøj merkt op dat de geperste ruis zelf zelfs in toekomstige kwantumcomputers zou kunnen worden gebruikt.
"Het blijkt dat geperste vacuümruis een ingrediënt is om een bepaald type kwantumcomputer te bouwen. Opwindend genoeg ligt het niveau van knijpen dat we hebben bereikt niet ver af van de hoeveelheid die nodig is om zo'n systeem te bouwen", zegt hij.