Natuurkundigen hebben een vreemd koeleffect aangetoond, door met een detector de afwezigheid van fotonen in een laserexperiment te meten.
In de vreemde wereld van de quantummechanica is niets ooit echt niets. Britse natuurkundigen hebben ontdekt dat je ‘niets’, ofwel de afwezigheid van een foton, kan gebruiken om dingen af te koelen. Ze plaatsten hun ontdekking, die nog gepeerreviewed moet worden, als voorpublicatie op de preprintwebsite arXiv.
Vallende appels
Een van de gebruikelijke manieren waarop wetenschappers dingen afkoelen is met behulp van lasers. Wanneer lichtdeeltjes, of fotonen, met een specifieke frequentie een atoom of molecuul raken, absorbeert het atoom of molecuul het foton, en vuurt het vervolgens een ander foton af met een iets hogere energie. Hierdoor koelt het systeem in zijn geheel af. Maar vreemd genoeg leidt het plaatsen van een fotondetector naast een atoom om deze uitgestraalde fotonen te tellen, ertoe dat de laser in plaats daarvan de temperatuur van het systeem verhoogt.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Dit komt door quantummechanica. Die leert ons dat het uitvoeren van een meting aan de toestand van een systeem deze toestand zelf verandert. Waar de positie van een elektron bijvoorbeeld eerst bestaat uit een ‘wolk’ van mogelijke posities, specificeert het meten ervan dit tot een nauwkeurige plaats.
Op dezelfde manier bevestigt het detecteren van een foton dat het systeem genoeg energie had om dat foton te produceren, en zorgt de meting voor een stijging in temperatuur. ‘Als je onder een appelboom zit en je weet niet hoeveel appels er aan de boom boven je hangen, maar er valt er een op je hoofd, dan denk je misschien: “Oh, er hangen daarboven waarschijnlijk meer appels dan ik aanvankelijk dacht”, zegt quantumfysicus Michael Vanner van Imperial College in het Verenigd Koninkrijk.
Glazen bolletjes
Nu hebben Vanner en zijn collega’s ontdekt dat het instellen van een detector die zoekt naar de afwezigheid van fotonen, het tegenovergestelde effect heeft. Wanneer er geen foton wordt gedetecteerd, kunnen objecten daardoor kouder worden. ‘Als je een tijdje onder de appelboom zit, en er valt er geen op je hoofd, denk je misschien dat er minder appels hangen dan je aanvankelijk dacht’, zegt Vanner.
Vanner en zijn team vuurden een infraroodlaser af op een glazen bolletje van 200 micrometer breed, twee keer de breedte van een menselijke haar. Dit produceert geluidsgolven die zich door het bolletje voortplanten, en dat genereert weer straling. Deze straling vertraagde de golven en koelde ze af, volgens een conventioneel laserkoelscenario.
Naast het bolletje plaatsten de onderzoekers een systeem dat de afwezigheid van fotonen detecteert. Het systeem heeft twee detectoren: een die ontworpen is om alleen enkele fotonen, of het ontbreken van fotonen te meten, en een andere detector die alle fotonen registreert die door het bolletje worden afgegeven. Door de detectoren met elkaar te vergelijken, registreerden Vanner en zijn team de tijden waarop er geen fotonen werden afgegeven. Tijdens die periodes waren er dus geen geluidsgolven energiek genoeg om licht te produceren, wat overeenkomt met een algeheel koeler systeem.
Niets blijft iets
Het koelingseffect is klein in dit experiment, dat bedoeld was als een proof-of-concept, zegt Vanner. Maar de techniek zou nuttig kunnen zijn voor het opslaan van informatie in een toekomstig quantuminternet.
‘Als je quantumsignalen van licht wilt synchroniseren, of als je ze gecontroleerd wilt opslaan en loslaten tussen bewerkingen in een quantumcomputer door, dan heb je een quantumgeheugen nodig’, zegt Vanner. Deze geluidsgolven kunnen lang genoeg voortbestaan om als quantumgeheugen te fungeren, namelijk in de orde van milliseconden. Ze kunnen ook gemakkelijk worden omgezet naar de lichtfrequentie die in quantumnetwerken wordt gebruikt, zegt hij.
