Hele atomen zijn voor het eerst onderworpen aan een klassiek quantumexperiment. De doorbraak kan leiden tot betere detectoren voor het oppikken van zwaartekrachtgolven die het heelal laten rimpelen.
Voor het eerst is een klassiek quantumexperiment, waarbij deeltjes zich kunnen gedragen als golven, voltooid met hele atomen. Dit leek eerder nog onmogelijk. Uit deze ontdekking zou een nieuw soort atomaire detectoren kunnen ontstaan. Deze detectoren zouden zwaartekrachtgolven kunnen meten die met de huidige technologie niet te detecteren zijn. De Duitse natuurkundigen die het experiment uitvoerden, plaatsten hun ontdekking op de prepublicatiewebsite arXiv.
Beschadigde roosters
In 1927 toonde de natuurkundige George Paget Thomson aan dat elektronen die door een kristal bewegen een diffractiepatroon opleveren, een kenmerkend patroon dat ontstaat wanneer een golf zich door een kleine opening perst, afbuigt en uitspreidt. In het geval van Thomson werd het patroon veroorzaakt doordat de elektronen door minimale openingen in de structuur van het kristal gingen, een rooster genoemd.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Dit experiment toonde aan dat subatomaire deeltjes zich deels als golven gedragen, en gaf de aanzet tot de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop. Voor deze ontdekking won Thomson de Nobelprijs.
Een paar jaar later werd ook voor atomen een diffractiepatroon gedemonstreerd. Maar bij dit experiment weerkaatsten atomen van een oppervlak. Weer later ontdekten wetenschappers hoe ze atomen door kristalroosters diffractie konden laten ondergaan, met een diffractiepatroon als resultaat. Al moesten deze roosters speciaal ontworpen worden met behulp van een proces dat vergelijkbaar is met het maken van computerchips. De openingen in deze roosters waren veel groter dan bij kristalroosters, wat de nauwkeurigheid van de diffractiepatronen fundamenteel beperkte.
Diffractie van atomen door een kristalrooster, zoals in het geval van het elektron, zou veel grotere en dus nauwkeurigere patronen mogelijk maken. Maar dit leek lang onmogelijk omdat de atomen met hun hoge energie het kristalrooster zouden beschadigen, waardoor diffractie niet zou kunnen plaatsvinden.
Hoge energie-bombardement
Nu hebben de Duitse natuurkundige Christian Brand van het Duitse Lucht- en ruimtevaartcentrum en zijn collega’s diffractiepatronen gemaakt door helium- en waterstofatomen door een kristalrooster heen te sturen. Het rooster bestond uit grafeen, een dun laagje koolstofatomen met de dikte van een enkel atoom.
Brand en zijn team versnelden eerst waterstof- of heliumatomen in een smalle bundel tot hoge snelheden en energieën. Dit dezen ze omdat eerder was aangetoond dat waterstof en helium bij kamertemperatuur niet door grafeen konden passeren. Vervolgens vuurden ze de hoogenergetische atomen af op het grafeen, waarvan ze dachten dat die beschadigd zou moeten raken.
Maar tegen de verwachting in constateerden Brand en zijn collega’s na 100 uur bestraling door de atoombundel geen schade aan het grafeen. In plaats daarvan namen ze met een camera aan de andere zijde de kenmerkende cirkelvormige ringpatronen waar van diffractie.
Open deuren
Door de atomen een hogere energie, en daarmee snelheid te geven, kunnen ze zich door de gaten in het grafeen persen, zegt Engelse natuurkundige Bill Allison van de Universiteit van Cambridge. Dit komt doordat ze op een niet detecteerbare manier energie kunnen uitwisselen met de atomen van het grafeen. Als de energie-uitwisseling wel detecteerbaar zou zijn, zouden atoomgolven volgens de wetten van de quantummechanica verstoord raken. En dan zou het diffractiepatroon niet langer voorkomen.
Dit is in te beelden als een kamer met veel deuropeningen die normaal gesproken gesloten zijn, maar die bij hogere energieën open gaan. ‘Ik kan er alleen doorheen als ik een deur open, en dat kost energie. Als ik onhandig ben, bijvoorbeeld omdat ik dronken ben, dan zal iedereen weten welke deur ik gebruikt heb en dan zal er geen diffractie zijn. Maar als ik de deur open en dan behendig sluit zonder energie te verliezen of te winnen, dan weet niemand welke deur ik heb gebruikt en zal er dus wel diffractie zijn’, zegt Allison.
Het effect zou gebruikt kunnen worden om een atomaire interferometer te bouwen, vergelijkbaar met de interferometers van de zwaartekrachtgolvendetector LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de VS. Dat apparaat zou werken met een veel hogere precisie en gevoeligheid dan de huidige technieken toelaten, zegt Allison. ‘Het is briljant werk en ik ben onder de indruk dat de auteurs zo’n gedurfd experiment hebben geprobeerd.’
