Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

2 februari 2012

Glazen ringetje brengt kwantummechanica naar een grotere schaal Kwantumverbinding tussen licht en beweging

Natuurkundigen hebben een systeem gedemonstreerd waarin licht omgezet kan worden in een mechanische trilling en omgekeerd. De interactie is zo sterk dat de beweging van een object dat met het blote oog te zien is, kan worden gecontroleerd op het niveau waarop kwantummechanica het gedrag van het object bepaalt. Dat kwantumgedrag is normaal alleen zichtbaar bij veel kleinere systemen zoals enkele atomen of moleculen. NWO Rubicononderzoeker Ewold Verhagen en een team van onderzoekers van de Zwitserse EPFL publiceren de resultaten deze week in het tijdschrift Nature.

Sinds de vorige eeuw is het duidelijk dat de beweging van objecten moet voldoen aan de wetten van de kwantummechanica. Die voorspellen een aantal wonderlijke mogelijkheden: een object zou zich in principe op twee plekken tegelijkertijd kunnen bevinden, en het zal altijd een beetje bewegen, zelfs bij de temperatuur van het absolute nulpunt - het bevindt zich dan in de kwantum 'grondtoestand'. Toch zien we zulk verrassend gedrag nooit in objecten waar we in het dagelijks leven mee te maken hebben. Kwantumeffecten zijn namelijk alleen waar te nemen in systemen die heel goed afgeschermd zijn van de omgeving. Grote objecten zijn in het algemeen slecht geïsoleerd, waardoor de invloed van de omgeving de kwantummechanische eigenschappen van het object snel uitwist in een proces dat 'decoherentie' genoemd wordt.

Tot voor kort waren wetenschappers daarom alleen in staat kwantumeffecten te zien in de beweging van piepkleine objecten zoals enkele atomen en moleculen. Nu demonstreren de natuurkundigen van EPFL onder leiding van Tobias Kippenberg dat het mogelijk is om de beweging van een object dat bestaat uit wel 100 biljoen atomen te controleren op het niveau waarop kwantummechanica domineert. Dit lukt door het object met laserlicht te beschijnen.

Een racebaan voor licht
De onderzoekers maakten een zorgvuldig gevormde glazen donut op een chip, met een diameter van 30 micrometer (ongeveer de helft van de dikte van een haar). Net als een wijnglas kan de glazen donut bij de juiste frequentie trillen. Maar tegelijkertijd werkt de vorm ook als een racebaan voor licht, dat kan rondcirkelen in de glazen donut. Terwijl het licht door de bocht gaat oefent het een kracht uit op het oppervlak van het glas. Die kracht is in principe maar heel klein, maar heeft in deze structuren een significante uitwerking omdat het licht wel een miljoen keer rond de glazen ring kan cirkelen. De lichtkracht kan de ring in beweging zetten, en laten trillen zoals een vinger die over de rand van een wijnglas wrijft. Maar het kan de trilling ook juist dempen, en zo de donut in feite afkoelen.

Koud, kouder, ...
Afkoelen is cruciaal om de toestand waarin kwantummechanische beweging te zien is, te bereiken, want zulke beweging wordt normaliter overschaduwd door willekeurige thermische beweging. De onderzoekers plaatsten daarom de glazen donut in een cryostaat - een toestel dat voor een constante lage temmperatuur zorgt - die het op een temperatuur van minder dan een graad boven het absolute nulpunt brengt. De lichtkracht van laserlicht dat in de donut geschenen wordt koelt dan de beweging van de donut nog eens 100 keer sterker af, tot vlak bij de kwantum-grondtoestand. Maar nog belangrijker: de interactie tussen licht en beweging blijkt zo sterk dat de twee een bijzondere verbinding vormen: een kleine lichtpuls kan volledig worden omgezet in een kleine trilling en weer terug. Voor het eerst gebeurt die omzetting van licht naar beweging zo snel dat de kwantumeigenschappen van de lichtpuls tijdens de transformatie niet verloren gaan door decoherentie, en dus overgedragen worden aan de bewegi ng van de structuur.

Door decoherentie te snel af te zijn biedt dit resultaat een krachtige methode om de kwantumeigenschappen van mechanische beweging te manipuleren en de wonderbaarlijke voorspellingen van kwantummechanica aan het werk te zien in relatief grote, door de mens gemaakte objecten. Zo wordt het mogelijk om de grens tussen kwantum- en klassiek gedrag te verkennen, en de wetten van de kwantummechanica te testen op een veel grotere schaal dan tot nu toe. Maar er zijn meer mogelijkheden: mechanische oscillatoren kunnen niet alleen aan licht gekoppeld worden, maar ook aan allerlei andere kwantumsystemen (bijvoorbeeld elektrische stromen). Daarom zouden ze gebruikt kunnen worden om kwantuminformatie te 'vertalen' van die systemen naar lichtsignalen, die het voordeel hebben dat ze eenvoudig over grote afstand verstuurd kunnen worden in optische fibers.

Rubicon
Ewold Verhagen voerde zijn onderzoek uit met een Rucibonbeurs van NWO. Rubicon is bedoeld voor getalenteerde jonge wetenschappers die net zijn gepromoveerd. Zij krijgen met de Rubiconsubsidie de kans om twee jaar ervaring op te doen aan een universiteit of onderzoeksinstituut in het buitenland. Verhagen vertrok in 2010 voor 24 maanden naar de école Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Over NWO
De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) is met een budget van ruim 500 miljoen euro per jaar een van de grootste wetenschapsfinanciers in Nederland. NWO stimuleert kwaliteit en vernieuwing in de wetenschap door het beste onderzoek te selecteren en financieren. NWO beheert onderzoeksinstituten van (inter)nationaal belang, geeft mede richting aan het wetenschappelijk onderzoek in Nederland en brengt wetenschap en maatschappij dichter bij elkaar. Onderzoeksvoorstellen worden beoordeeld en geselecteerd door vooraanstaande wetenschappers uit binnen- en buitenland. Dankzij financiering van NWO kunnen meer dan vijfduizend wetenschappers onderzoek doen.

Figuur: elektronenmicroscopieafbeelding van de glazen donut, met een diameter kleiner dan die van een haar. De donut is verbonden aan de chip met behulp van spaken, die ervoor zorgen dat de structuur een lange tijd ongestoord kan trillen als een goede stemvork, met een frequentie van 78000000 keer per seconde. Licht kan tot een miljoen keer rondcirkelen in de rand van de donut. Terwijl het licht tegen de wanden van de ring kaatst oefent het een kleine kracht uit die de trillingen van de structuur beïnvloeden.

Deel: ' Glazen ringetje brengt kwantummechanica naar een grotere schaal '






Lees ook