Onderzoekers van ETH Zürich hebben een kleine bol van honderd nanometer gevangen met behulp van laserlicht en zijn beweging vertraagd tot de laagste kwantummechanische toestand. Deze techniek kan onderzoekers helpen om kwantumeffecten in macroscopische objecten te bestuderen en extreem gevoelige sensoren te bouwen.

Waarom kunnen atomen of elementaire deeltjes zich gedragen als golven volgens de kwantumfysica, waardoor ze op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn? En waarom gehoorzaamt alles wat we om ons heen zien duidelijk de wetten van de klassieke natuurkunde, waar een dergelijk fenomeen onmogelijk is? In recente jaren, onderzoekers hebben grotere en grotere objecten overgehaald om zich kwantummechanisch te gedragen. Een gevolg hiervan is dat, bij het passeren van een dubbele spleet, deze objecten vormen een interferentiepatroon dat kenmerkend is voor golven.

Tot nu toe, dit zou kunnen worden bereikt met moleculen die uit een paar duizend atomen bestaan. Echter, natuurkundigen hopen ooit zulke kwantumeffecten te kunnen waarnemen met goed macroscopische objecten. Lukas Novotny, hoogleraar fotonica, en zijn medewerkers bij de afdeling Informatietechnologie en Elektrotechniek van de ETH Zürich hebben nu een cruciale stap in die richting gezet. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Zwevende nanosfeer

Het macroscopische object in Novotny's laboratorium is een kleine bol van glas. Hoewel het slechts honderd nanometer in diameter is, het bestaat uit maar liefst 10 miljoen atomen. Met behulp van een strak gerichte laserstraal, de bol is gemaakt om te zweven in een optische val in een vacuümcontainer die is afgekoeld tot 269 graden onder nul. Hoe lager de temperatuur, hoe kleiner de thermische beweging.

"Echter, om kwantumeffecten duidelijk te zien, moet de nanosfeer nog meer worden vertraagd, helemaal naar zijn bewegende grondtoestand, " legt Felix Tebbenjohanns uit, een postdoc in het lab van Novotny. De trillingen van de bol, en vandaar zijn bewegingsenergie, worden gereduceerd tot het punt waarop de kwantummechanische onzekerheidsrelatie een verdere reductie verbiedt. "Dit betekent dat we de bewegingsenergie van de bol bevriezen tot een minimum dat dicht bij de kwantummechanische nulpuntbeweging ligt, ', zegt Tebbenjohanns.

Meten en vertragen

Om dit te behalen, de onderzoekers gebruiken een methode die bekend is van het vertragen van een schommel in een speeltuin:precies de juiste hoeveelheid duwen of trekken in de goede richting, afhankelijk van waar de schommel zich bevindt. Met een schommel, goed kijken en daarnaar handelen zal het lukken. In het geval van een nanosfeer, echter, een nauwkeurigere meting is vereist. Deze meting bestaat uit het superponeren van het door de bol gereflecteerde licht op een andere laserstraal, wat resulteert in een interferentiepatroon. Uit de positie van dat interferentiepatroon is af te leiden waar de bol zich in de laserval bevindt. die informatie, beurtelings, wordt gebruikt om te berekenen hoe sterk de bol moet worden geduwd of getrokken om hem te vertragen. Het vertragen zelf wordt gedaan door twee elektroden, waarvan het elektrische veld een nauwkeurig bepaalde Coulomb-kracht uitoefent op de elektrisch geladen nanosfeer.

Eerste kwantumcontrole in de vrije ruimte

"Dit is de eerste keer dat een dergelijke methode is gebruikt om de kwantumtoestand van een macroscopisch object in de vrije ruimte te regelen, " zegt Novotny. Hoewel vergelijkbare resultaten zijn verkregen met bollen in optische resonatoren, De aanpak van Novotny heeft belangrijke voordelen:het is minder storingsgevoelig, en door het laserlicht uit te schakelen kan men, indien vereist, onderzoek de bol in volledige isolatie.

Een dergelijk geïsoleerd onderzoek wordt met name relevant bij het daadwerkelijk uitvoeren van interferentie-experimenten, zoals die waargenomen met lichtgolven, met de nanosfeer. Dit komt omdat om interferentie-effecten te zien, de kwantummechanische golf van de bol moet voldoende groot zijn. Een manier om dit te bereiken is door de laserval uit te schakelen nadat de bol is afgekoeld tot zijn bewegende grondtoestand, waardoor zijn kwantumgolf vrij kan uitzetten. Verschillende delen van de golf kunnen dan door een dubbele spleet vallen. Net als bij moleculen, ook in dit geval zal de superpositie van de materiegolven naar verwachting resulteren in een karakteristiek interferentiepatroon.

Mogelijke toepassingen in sensoren

"Voor nu, echter, dat is maar een utopie, "Novotny waarschuwt. Toch, hij vermeldt ook dat zwevende nanosferen niet alleen van belang zijn voor fundamenteel onderzoek, maar kan ook praktische toepassingen hebben. Tegenwoordig zijn er al sensoren die de kleinste versnellingen of rotaties kunnen meten met behulp van storende atoomgolven. Naarmate de gevoeligheid van dergelijke sensoren toeneemt met toenemende massa van het kwantummechanisch storende object, de sensoren kunnen enorm worden verbeterd met nanosferen.