Met behulp van vervuilde diamantjes moet het mogelijk zijn om een detector voor zwaartekrachtsgolven te bouwen die vierduizend keer zo klein is als LIGO.
Sinds september 2015 meten we met enige regelmaat zwaartekrachtsgolven: trillingen in de ruimtetijd, veroorzaakt door bijvoorbeeld twee zwarte gaten die samengaan. Probleem is alleen dat je daar detectors voor nodig hebt met kilometerslange tunnels. Kan het ook anders?
Ja, denken natuurkundigen Sougato Bose van University College London, Anupam Mazumdar van de Rijksuniversiteit Groningen en collega’s. Door slim gebruik te maken van minuscule diamantjes verwachten zij een detector voor zwaartekrachtsgolven te kunnen bouwen die op een eettafel past.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Bescheiden alternatief
Een ‘normale’ detector voor zwaartekrachtsgolven, zoals LIGO in de VS en Virgo bij Pisa, werkt met licht. Daarbij valt een laserbundel op een spiegel die de ene helft van het licht rechtdoor laat gaan en de andere naar opzij stuurt. Elk van de laserbundels gaat dan een tunnel in van een paar kilometer lang, waar hij een groot aantal keren heen en weer stuitert tussen twee spiegels. Vervolgens komen de twee bundels weer bij elkaar.
De machine is in principe zo afgesteld dat de twee lichtgolven elkaar uitdoven als ze worden samengevoegd – behalve als er een zwaartekrachtsgolf voorbij komt. Die verandert namelijk heel even de lengtes van de tunnels een heel klein beetje, waardoor de golven elkaar kortstondig niet meer uitdoven. En dan weten de betrokken onderzoekers dat ze – als alle andere mogelijke oorzaken zijn uitgesloten – beet hebben.
Daarbij is de lange route die het licht moet afleggen cruciaal. Laat de bundels een kortere reis maken en het lengteverschil dat een zwaartekrachtsgolf veroorzaakt, is te klein om op te merken. En dat maakt het bouwen van zo’n detector een enorme en dure klus.
Het alternatief dat Bose, Mazumdar en collega’s voorstellen in het New Journal of Physics, is een stuk bescheidener, in elk geval in omvang: zij denken aan een detector van één meter. Oftewel: een apparaat dat vierduizend keer zo klein is als LIGO. Hun geheime ingrediënt: een diamant.
Drie mogelijkheden
Daarbij gaat het niet eens om een zuivere diamant, maar om eentje met een vuiltje erin. Ergens in het kristalrooster van de edelsteen moet een koolstofatoom zijn vervangen door een stikstofatoom. Direct daarnaast moet dan een lege plek zitten. Die combinatie wordt een nitrogen-vacancy center of nv-centrum genoemd.
Belangrijk voor het voorstel van Bose en Mazumdar is dat er bij zo’n nv-centrum twee overtollige elektronen zitten, die je samen kunt zien als één deeltje met een spin. Spin is een quantummechanische eigenschap die bij een enkel elektron omhoog of omlaag kan wijzen. Bij het dubbele elektron van een nv-centrum zijn er echter drie mogelijkheden. Beide elektronenspins wijzen omhoog, beide wijzen omlaag, of de een wijst omhoog en de andere omlaag, waardoor het nv-centrum als geheel een spin van nul heeft.
Het verschil tussen die drie mogelijkheden merk je als je het deeltje door een veranderend magneetveld stuurt. Een nv-centrum met spin omhoog buigt af naar de ene kant en een nv-centrum met spin omlaag naar de andere kant, terwijl een nv-centrum met spin nul gewoon rechtdoor gaat.
Twee routes tegelijkertijd
Vervolgens maken Bose en Mazumdar gebruik van het gegeven dat binnen de quantummechanica een deeltje in een combinatie van meerdere toestanden gebracht kan worden: een superpositie. (Denk aan de bits van een quantumcomputer, die niet nul óf één zijn, maar nul en één tegelijkertijd.) In dit geval gaat het om een superpositie van een nv-centrum met spin nul, en een nv-centrum met spin omhoog (of omlaag).
Stuur je zo’n nv-centrum in superpositie vervolgens door een veranderend magneetveld, dan neemt het twee routes tegelijkertijd: het gaat rechtdoor én het buigt af. Halverwege het apparaat – oftewel: na 50 centimeter – wordt dan de spin omhoog omgeklapt naar een spin omlaag (of omgekeerd), waardoor deze versie van het nv-centrum de andere kant op gaat bewegen. Daardoor komt het aan het einde van het apparaat weer bij zijn rechtdoor vliegende evenknie uit.
En zoals een passerende zwaartekrachtsgolf er bij detectoren à la LIGO en Virgo voor zorgt dat de lengte van de tunnels even varieert, zo heeft zo’n golf ook een minuscuul maar meetbaar effect op de twee paden die het nv-centrum neemt.
Grote uitdaging
Natuurkundige Toeno van der Sar, die aan de TU Delft een onderzoeksgroep leidt gericht op nv-centra, vindt het idee ‘een heel leuk voorstel, dat een antwoord probeert te vinden op de vraag hoe je zwaartekrachtsgolven kunt meten, anders dan met de bestaande, grote apparaten’.
Bovendien, merkt hij op, kun je er zwaartekrachtsgolven mee detecteren met andere golflengtes dan LIGO en Virgo doen. Daardoor zouden beide methodes elkaar goed kunnen aanvullen.
Verder is zo’n detector niet alleen voor zwaartekrachtsgolven te gebruiken. ‘Je kunt er heel kleine veranderingen in het zwaartekrachtsveld mee meten, bijvoorbeeld als iemand 50 meter verderop een voorwerp van een kilogram neerzet. Maar die enorme gevoeligheid maakt het gebruik van zo’n detector natuurlijk wel een grote uitdaging.’
Nanobuisjes
Ook op andere punten is het bouwen en runnen van een dergelijke opstelling geen sinecure. ‘Sowieso heb je een heel hoog vacuüm nodig. Anders botsen er luchtdeeltjes tegen je diamantjes aan en raken die verstoord.’
Daarnaast moet het apparaat zijn werk doen héél dicht bij het absolute nulpunt. Dan bewegen de aanwezige deeltjes zo min mogelijk ten gevolge van de temperatuur.
Tot slot moet het gebruikte magneetveld extreem variëren om de twee paden van het deeltje voldoende uit elkaar te trekken. De onderzoekers willen dat bereiken door stroom door koolstof nanobuisjes te sturen. ‘In principe is dat vrij elementaire natuurkunde: als je stroom door een draadje laat lopen, wek je een magneetveld op. Maar om dat op de voorgestelde manier te implementeren in een apparaat van een meter, langs het hele pad van zo’n diamantje… Dat is een vrij forse uitdaging.’
Moeilijk maar doenlijk
Toch wil Mazumbar nu naar een prototype toe werken. ‘Dat is de droom’, zegt hij. ‘Het zal extreem moeilijk zijn, maar doenlijk. Net als elk ander experiment met een vergelijkbare status, zoals LIGO of de ontdekking van het higgsdeeltje.’
Natuurkundige Ron Folman van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev in Israël, die helpt bij het realiseren van dit prototype, geeft ook toe dat de technische uitdagingen groot zijn, ‘maar niet fundamenteel van aard’. Wanneer zo’n prototype af kan zijn, vindt hij alleen moeilijk te zeggen. ‘Maar als we er ons echt op toeleggen, kan het nog tijdens ons leven.’
