Natuurkundigen hebben het merkwaardige fenomeen delokalisatie gemeten bij een glazen kraal van 100 nanometer groot. Dit helpt ze te bepalen waar de grens van de quantumwereld ligt.
De wazigheid van de quantumwereld is op grotere schaal dan ooit aangetoond. Onderzoekers hebben ervoor gezorgd dat meer dan een miljard atomen in een glazen kraal zich als een enkele quantumgolf gingen gedragen. Dit resultaat is een cruciale stap om theorieën over quantumzwaartekracht te testen.
Wolk van waarschijnlijkheden
Begin twintigste eeuw ontdekten natuurkundigen dat materie op zeer kleine schaal ‘wazig’ is. Hoewel eerdere experimenten hadden aangetoond dat deeltjes zoals elektronen of atoomkernen vast zijn, wezen nieuwe experimenten uit dat ze zich ook als golven kunnen gedragen. Zo kunnen ze met elkaar interfereren, zoals rimpelingen in een vijver.
Kernfysicus Ralf Mackenbach: ‘Ik zie overeenkomsten tussen muziek maken en onderzoek doen’
Met het nummer Click Clack won Ralf Mackenbach als enige Nederlander ooit het Junior Eurovisie Songfestival. Komen ...
Door deze golfachtige aard is de positie van een deeltje niet exact vast te stellen. Die positie kan alleen worden beschreven als een wolk van waarschijnlijkheden. Pas als deze wolk wordt verstoord door een externe interactie, zoals een meting, valt de positie te bepalen.
Dit fenomeen staat bekend als delokalisatie. Het is een fundamenteel principe van de quantummechanica, dat voor alle minuscule objecten lijkt te gelden.
De meeste natuurkundigen gaan ervan uit dat delokalisatie ook op veel grotere schalen bestaat, maar dat we het dan niet zien omdat de fragiele, golfachtige wolk van waarschijnlijkheden wordt vernietigd door de talloze interacties met andere deeltjes. Het is echter onduidelijk hoe ver de wazige aard van de quantumwereld zich voor grote objecten uitstrekt.
Willekeurig gewiebel
Natuurkundige Massimiliano Rossi van de ETH Zürich in Zwitserland en zijn collega’s hebben nu het quantumgolfkarakter gemeten van een kleine glazen kraal. De kraal was 100 nanometer groot, een tiende van de breedte van een menselijke haar. Hij bevatte miljarden atomen.
Om het wazige karakter van de kraal te meten, moesten Rossi en zijn team eerst de positie ervan met uiterste precisie bepalen. Zo konden ze er zeker van zijn dat de gemeten delokalisatie niet het gevolg was bijvoorbeeld willekeurig gewiebel door warmte.
De natuurkundigen hielden de kraal daarom met een infraroodlaser op een bepaalde plek. Met die laser konden ze de positie van het deeltje nauwkeurig meten en zijn willekeurige schommelingen bijhouden. Ook plaatsten ze de kraal en de laser in een extreem vacuüm, zodat na de delokalisatie het delicate quantumkarakter van het deeltje niet verstoord zou worden door passerende moleculen.
Macroscopische materie
Zodra ze de positie van de kraal hadden gemeten, schakelden de onderzoekers de laser eventjes uit, wat het golfkarakter van de kraal aan het licht bracht. ‘Als we de laser uitschakelen, gebeurt er iets dat vergelijkbaar is met wanneer je een steen in een meer gooit’, zegt Rossi. ‘In eerste instantie wordt het oppervlak alleen verstoord op de plek waar de steen zich bevindt; alleen het water rondom de steen begint te bewegen. Maar als je enige tijd wacht, begint deze golf zich uit te breiden en voort te planten.’ Vervolgens zetten de onderzoekers de laser weer aan en registreerden ze de positie van de kraal.
Door dit experiment honderden keren te herhalen, kregen de onderzoekers een beeld van de wazige aard van de kraal op een schaal van picometers. Dat is ongeveer 100.000 keer kleiner dan de kraal zelf.
De volgende stap zal zijn om het golfkarakter van de kraal vast te leggen op afstanden die ongeveer even groot zijn als de kraal zelf. Dan wordt het mogelijk om interferentie te bestuderen, vergelijkbaar met de beroemde tweespletenexperimenten, maar dan met macroscopische materie, zegt Rossi.
Quantumzwaartekracht
Met dit soort experimenten kunnen we mogelijke theorieën over quantumzwaartekracht testen. Natuurkundigen weten nog steeds niet of zwaartekracht op het meest fundamentele niveau bestaat uit discrete energieniveaus, zoals het geval is bij licht, of dat het glad en niet-opdeelbaar is. Het is moeilijk om de aard van de zwaartekracht op hele kleine lengteschalen te testen, omdat deze kracht naar verhouding veel zwakker is dan andere krachten.
Toch moet de zwaartekracht wel enig effect hebben op de kraalgolf die Rossi en zijn team hebben gemeten, zegt natuurkundige Hendrik Ulbricht van de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk. Volgens hem zou de ontwikkeling van deze golf als de zwaartekracht gekwantificeerd is anders zijn dan wanneer de kracht continu is. ‘Als je interferentie met een vergelijkbaar deeltje kunt genereren, dan zou je kunnen bestuderen hoe de golf zich ontwikkelt en of zwaartekracht daarbij een rol speelt’, zegt Ulbricht. ‘Dan kun je dit soort vragen over quantumzwaartekracht beantwoorden. Dat zijn spannende dingen.’
