Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben een nieuwe koeltechniek ontwikkeld voor mechanische kwantumsystemen. Met behulp van een ultrakoud atomair gas, de trillingen van een membraan werden afgekoeld tot minder dan 1 graad boven het absolute nulpunt. Deze techniek kan nieuwe studies van kwantumfysica en precisiemeetapparatuur mogelijk maken, zoals de onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Ultrakoude atomaire gassen behoren tot de koudste objecten die er bestaan. Laserstralen kunnen worden gebruikt om atomen in een vacuümkamer op te sluiten en hun beweging te vertragen tot kruipen, het bereiken van temperaturen van minder dan 1 miljoenste graad boven het absolute nulpunt - de temperatuur waarbij alle beweging stopt. Bij zulke lage temperaturen atomen gehoorzamen aan de wetten van de kwantumfysica:ze bewegen rond als kleine golfpakketten en kunnen in een superpositie zijn door op verschillende plaatsen tegelijk te zijn. Deze functies worden gebruikt in technologieën zoals atoomklokken en andere precisiemeetapparatuur.

Een ultrakoude atomaire koelkast

Kunnen deze ultrakoude gassen ook als koudemiddel worden gebruikt, om andere objecten tot zeer lage temperaturen te koelen? Dit zou veel mogelijkheden bieden voor het onderzoek van kwantumfysica in nieuwe en mogelijk grotere systemen. Het probleem is dat de atomen microscopisch klein zijn en zelfs de grootste wolken die tot nu toe zijn geproduceerd, die uit enkele miljarden ultrakoude atomen bestaan, bevatten nog steeds veel minder deeltjes dan iets zo klein als een zandkorrel. Als resultaat, het koelvermogen van de atomen is beperkt.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Basel onder leiding van professor Philipp Treutlein is er nu in geslaagd ultrakoude atomen te gebruiken om de trillingen van een millimetergroot membraan te koelen. het membraan, een siliciumnitridefilm met een dikte van 50 nm, oscilleert op en neer als een klein vierkant drumvel. Dergelijke mechanische oscillatoren zijn nooit volledig in rust, maar vertonen thermische trillingen die afhankelijk zijn van hun temperatuur. Hoewel het membraan ongeveer een miljard keer meer deeltjes bevat dan de atomaire wolk, een sterk koelend effect werd waargenomen, die de membraantrillingen afkoelde tot minder dan 1 graad boven het absolute nulpunt.

"De truc hier is om het volledige koelvermogen van de atomen te concentreren op de gewenste vibratiemodus van het membraan, " legt Dr. Andreas Jöckel uit, lid van het projectteam. De interactie tussen atomen en membraan wordt gegenereerd door een laserstraal. Zoals de natuurkundige uitlegt:"Het laserlicht oefent krachten uit op het membraan en de atomen. Trilling van het membraan verandert de lichtkracht op de atomen en vice versa." De laser zendt het verkoelende effect uit over afstanden van enkele meters, de atoomwolk hoeft dus niet in direct contact met het membraan te staan. De koppeling wordt versterkt door een optische resonator bestaande uit twee spiegels, waartussen het membraan is ingeklemd.

Het eerste experiment in zijn soort wereldwijd

Systemen die licht gebruiken om ultrakoude atomen te koppelen en mechanische oscillatoren zijn al theoretisch voorgesteld. Het experiment aan de Universiteit van Basel is het eerste ter wereld dat een dergelijk systeem realiseert en gebruikt om de oscillator te koelen. Verdere technische verbeteringen moeten het mogelijk maken om de membraantrillingen af ​​te koelen tot de kwantummechanische grondtoestand.

Voor de onderzoekers, het koelen van het membraan met de atomen is slechts de eerste stap:"De goed gecontroleerde kwantumaard van de atomen in combinatie met de door licht geïnduceerde interactie opent nieuwe mogelijkheden voor kwantumcontrole van het membraan, ", zegt Treutlein. Dit kan fundamentele kwantumfysica-experimenten mogelijk maken met een relatief macroscopisch mechanisch systeem, met het blote oog zichtbaar. Het kan ook mogelijk zijn om zogenaamde verstrengelde toestanden tussen atomen en membraan te genereren. Hiermee kunnen membraantrillingen met ongekende precisie worden gemeten, wat op zijn beurt de ontwikkeling van nieuwe soorten sensoren voor kleine krachten en massa's mogelijk zou kunnen maken.