Optische levitatie van glazen nanosfeer maakt kwantumcontrole mogelijk

Onderzoekers van ETH Zürich hebben een kleine bol van honderd nanometer gevangen met behulp van laserlicht en zijn beweging vertraagd tot de laagste kwantummechanische toestand. Deze techniek kan onderzoekers helpen om kwantumeffecten in macroscopische objecten te bestuderen en extreem gevoelige sensoren te bouwen.

Waarom kunnen atomen of elementaire deeltjes zich volgens de kwantumfysica gedragen als golven, waardoor ze op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn? En waarom gehoorzaamt alles wat we om ons heen zien duidelijk de wetten van de klassieke natuurkunde, waar zo’n fenomeen onmogelijk is? In de afgelopen jaren hebben onderzoekers steeds grotere objecten overgehaald om zich kwantummechanisch te gedragen. Een gevolg hiervan is dat deze objecten bij het passeren van een dubbele spleet een interferentiepatroon vormen dat kenmerkend is voor golven.

Tot nu toe kon dat met moleculen van enkele duizenden atomen. Natuurkundigen hopen echter ooit zulke kwantumeffecten te kunnen waarnemen met goed macroscopische objecten. Lukas Novotny, hoogleraar fotonica, en zijn medewerkers bij de afdeling Informatietechnologie en Elektrotechniek aan de ETH Zürich hebben nu een cruciale stap in die richting gezet. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur.

Zwevende nanosfeer

Het macroscopische object in Novotny’s laboratorium is een kleine bol van glas. Hoewel het slechts honderd nanometer in diameter is, bestaat het uit maar liefst 10 miljoen atomen. Met behulp van een strak gerichte laserstraal wordt de bol in een optische val geplaatst in een vacuümcontainer die is afgekoeld tot 269 graden onder nul. Hoe lager de temperatuur, hoe kleiner de thermische beweging.

“Maar om kwantumeffecten duidelijk te zien, moet de nanosfeer nog meer worden vertraagd, helemaal tot aan zijn bewegende grondtoestand”, legt Felix Tebbenjohanns, een postdoc in het laboratorium van Novotny, uit. De oscillaties van de bol, en dus zijn bewegingsenergie, worden gereduceerd tot het punt waarop de kwantummechanische onzekerheidsrelatie een verdere reductie verbiedt. “Dit betekent dat we de bewegingsenergie van de bol bevriezen tot een minimum dat dicht bij de kwantummechanische nulpuntbeweging ligt”, zegt Tebbenjohanns.

Meten en vertragen

Om dit te bereiken gebruiken de onderzoekers een methode die bekend is van het vertragen van een schommel in een speeltuin: precies de juiste hoeveelheid duwen of trekken in de goede richting, afhankelijk van waar de schommel zich bevindt. Met een schommel is goed kijken en ernaar handelen voldoende. In het geval van een nanobol is echter een nauwkeurigere meting vereist. Deze meting bestaat uit het superponeren van het door de bol gereflecteerde licht op een andere laserstraal, wat resulteert in een interferentiepatroon. Uit de positie van dat interferentiepatroon is af te leiden waar de bol zich in de laserval bevindt. Die informatie wordt op zijn beurt gebruikt om te berekenen hoe sterk de bol moet worden geduwd of getrokken om hem te vertragen. De vertraging zelf wordt gedaan door twee elektroden, waarvan het elektrische veld een nauwkeurig bepaalde Coulomb-kracht uitoefent op de elektrisch geladen nanosfeer.

Eerste kwantumcontrole in de vrije ruimte

“Dit is de eerste keer dat een dergelijke methode is gebruikt om de kwantumtoestand van een macroscopisch object in de vrije ruimte te controleren”, zegt Novotny. Hoewel vergelijkbare resultaten zijn verkregen met bollen in optische resonatoren, heeft de aanpak van Novotny belangrijke voordelen: het is minder storingsgevoelig en door het laserlicht uit te schakelen kan men desgewenst de bol volledig geïsoleerd onderzoeken.

Een dergelijk geïsoleerd onderzoek wordt met name relevant wanneer wordt geprobeerd interferentie-experimenten uit te voeren, zoals die worden waargenomen met lichtgolven, met de nanosfeer. Dit komt omdat om interferentie-effecten te zien, de kwantummechanische golf van de bol voldoende groot moet zijn. Een manier om dit te bereiken is door de laserval uit te schakelen nadat de bol is afgekoeld tot zijn bewegende grondtoestand, waardoor de kwantumgolf vrij kan uitzetten. Verschillende delen van de golf kunnen dan door een dubbele spleet vallen. Net als bij moleculen zal ook in dit geval de superpositie van de materiegolven naar verwachting resulteren in een karakteristiek interferentiepatroon.

Mogelijke toepassingen in sensoren

“Voor nu is dat echter maar een luchtkasteel”, waarschuwt Novotny. Toch vermeldt hij ook dat zwevende nanosferen niet alleen interessant zijn voor fundamenteel onderzoek, maar ook praktische toepassingen kunnen hebben. Tegenwoordig zijn er al sensoren die de kleinste versnellingen of rotaties kunnen meten met behulp van storende atoomgolven. Naarmate de gevoeligheid van dergelijke sensoren toeneemt met toenemende massa van het kwantummechanisch storende object, kunnen de sensoren enorm worden verbeterd met nanosferen.