Een enkel atoom ytterbium, extreem afgekoeld en in bedwang gehouden met laserstralen, kan onthullen hoe de zwaartekracht quantumobjecten beïnvloedt.
Hoe de zwaartekracht het quantumrijk beïnvloedt, is vooralsnog een mysterie. Een experiment dat lasers als pincet gebruikt, kan er wat licht op werpen. Het stelt onderzoekers in staat om te bekijken welk effect de zwaartekracht van de aarde heeft op een atoom dat tikt als een klok.
Deeltjes en golven
Bij extreem lage temperaturen – denk aan miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt – gedragen atomen zich door quantumeffecten meer als golven dan als deeltjes. Natuurkundigen maken al jaren gebruik van dit fenomeen: door verschillende golven te laten botsen en vervolgens de rimpelingen te meten, kunnen ze de krachten achterhalen die de atomen beïnvloeden. Dit proces staat bekend als atoominterferometrie.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Natuurkundigen Yoav Sagi en Ilan Meltzer van het Technion-Israel Institute of Technology hebben nu een nieuw interferometrie-experiment ontworpen dat kan onthullen hoe zwaartekracht werkt in het quantumrijk. Mocht zwaartekracht een quantumtoestand kunnen veranderen, dan kan dat grote gevolgen hebben. Zo kan het bijvoorbeeld helpen verklaren waarom een quantumdeeltje op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn – een fenomeen dat superpositie heet – terwijl een groot en zwaar object dat niet kan.
Nauwkeurig
Het experiment gebruikt een enkel ytterbium-atoom, dat al eerder is gebruikt in extreem nauwkeurige atoomklokken. In zo’n klok besturen laserstralen ultrakoude atomen met behulp van de elektromagnetische kracht. Laserlicht kan elektronen in het atoom razendsnel laten schakelen tussen twee quantumtoestanden, waarbij elke schakeling ”telt’ als de tik van een klok. Ook kan laserlicht de positie van het atoom bepalen, alsof het door een pincet wordt vastgehouden.
Het interferometrie-experiment begint met precies deze opstelling. Omdat het koude atoom zich gedraagt als een golf, kan het in een superpositie bestaan. Als onderzoekers een tweede laserpincet dicht bij de eerste plaatsen, zou de atoomgolf in twee toestanden kunnen bestaan, waarbij het atoom zich dus tegelijkertijd in beide pincetten bevindt.
Vervolgens worden de pincetten enkele millimeters uit elkaar gehouden en daarna weer samen gebracht. Deze hereniging zou de twee delen van de superpositietoestand laten botsen, waardoor rimpelingen ontstaan, zoals in elk interferometrie-experiment.
Tweelingparadox
Dit alles zou gebeuren met één atoom dat tevens als klok fungeert. Daardoor is het experiment gevoelig voor vreemde veranderingen in de tijd – zoals effecten van de zwaartekracht die de tijd vertragen, zegt Sagi. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt zo’n effect: tijd gaat langzamer in gebieden met een sterkere zwaartekracht. Zo loopt een klok op zeeniveau net iets langzamer dan een klok op de top van een berg, waar de invloed van de zwaartekracht minder is.
Hierdoor kunnen de onderzoekers een quantumversie van Einsteins tweelingparadox uitvoeren. Dit gedachte-experiment beschrijft hoe tijd anders verloopt voor tweelingen als één op aarde blijft, terwijl de ander in een razendsnel ruimteschip reist. Ook bij snelle bewegingen vertraagt de tijd.
In deze nieuwe versie zouden de quantumtoestanden van het atoom de tweelingen zijn, elk vastgehouden in een ander pincet. Het experiment zou zo worden opgezet dat deze toestanden verticaal gestapeld zijn, de ene boven de andere. Omdat de twee pincetten zich nu op verschillende hoogtes bevinden, en dus verschillende zwaartekrachtseffecten ervaren, zou dat ervoor zorgen dat het atoom in het ene pincet net iets langzamer tikt dan de andere. Als de onderzoekers na het samenbrengen van de twee pincetten tekenen van dit effect kunnen vinden, wijst dat erop dat de zwaartekracht quantumtoestanden beïnvloedt. De twee delen van de superpositie zouden in dat geval van elkaar verschillen.
Toekomstvisie
Er zijn eerder onderzoeken naar dit effect gedaan, zegt de Britse natuurkundige Hendrik Ulbricht van de Universiteit van Southampton. Maar deze experimenten waren niet gevoelig genoeg om met zekerheid te kunnen zeggen hoe de zwaartekracht de quantumtoestand van een atoom verandert. Het gebruik van optische pincetten kan helpen, maar ‘experimenten moeten aantonen of dit echt zo is’, zegt hij.
Sagi is ervan overtuigd dat het zal lukken. ‘Ik beweer niet dat dit experiment eenvoudig zal zijn, maar we stellen iets voor dat in ieder geval mogelijk is met de huidige technologie’, zegt hij. Zijn team heeft al enkele voorbereidende testen gedaan, maar de volledige ytterbium-opstelling moet nog worden gebouwd.
