Als het licht noch ‘aan’, noch ‘uit’ is in de nanowereld

Of het licht in onze woonruimtes aan of uit is, kan in het dagelijks leven eenvoudig worden geregeld door naar de lichtschakelaar te grijpen. Wanneer de ruimte voor het licht echter wordt verkleind tot enkele nanometers, domineren kwantummechanische effecten en is het onduidelijk of er licht in zit of niet. Beide kunnen zelfs tegelijkertijd het geval zijn, zoals wetenschappers van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en de Universiteit van Bielefeld aantonen in het tijdschrift natuur fysica.

“Het detecteren van deze exotische toestanden van de kwantumfysica op de schaal van elektrische transistors zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van optische kwantumtechnologieën van toekomstige computerchips”, legt professor Bert Hecht uit Würzburg uit. De bestudeerde nanostructuren werden in zijn groep geproduceerd.

De technologie van onze digitale wereld is gebaseerd op het principe dat er stroom vloeit of niet: één of nul, aan of uit. Er zijn twee duidelijke toestanden. In de kwantumfysica daarentegen is het mogelijk om dit principe te negeren en een willekeurige superpositie van de veronderstelde tegenstellingen te creëren. Dit vergroot de mogelijkheden om informatie over te dragen en te verwerken vele malen. Dergelijke superpositietoestanden zijn al enige tijd bekend, vooral voor de lichtdeeltjes, de zogenaamde fotonen, en worden gebruikt bij de detectie van zwaartekrachtgolven.

Kwantumtoestanden gedetecteerd

Een team van natuurkundigen en fysisch chemici uit Bielefeld en Würzburg is er nu in geslaagd dergelijke superpositietoestanden van licht direct in een nanostructuur te detecteren. Licht wordt in een zeer kleine ruimte gevangen in een nanostructuur en koppelt aan elektronische oscillaties: zogenaamde plasmonen. Hierdoor kan de energie van het licht op nanoschaal op zijn plaats worden gehouden.

In het experiment in de groep van professor Tobias Brixner uit Würzburg onderzochten de onderzoekers hoeveel fotonen uit een lichtpuls koppelen aan de nanostructuur. Het resultaat: tegelijkertijd geen foton en drie fotonen. Brixner legt uit: “Het detecteren van deze handtekening was een enorme uitdaging. Fotonen kunnen heel goed worden gedetecteerd met gevoelige detectoren, maar in het geval van enkele fotonen, die zich ook in een kwantummechanische superpositietoestand bevinden, bestonden er geen geschikte methoden in de nanowereld. ” Bovendien overleven de gekoppelde toestanden van fotonen en elektronen minder dan een miljoenste van een miljoenste van een seconde en vervallen dan weer, waardoor er nauwelijks tijd overblijft voor hun detectie.

Hoogste ruimtelijke en temporele resolutie gecombineerd

In de nu gepubliceerde experimenten is gebruik gemaakt van een speciale detectie. “De energie die vrijkomt tijdens het verval van de toestand is voldoende om andere elektronen uit de nanostructuur vrij te maken”, legt professor Walter Pfeiffer (Bielefeld) uit, die een sleutelrol speelde bij de ontwikkeling van het fysieke model en de interpretatie van de gegevens. De getriggerde elektronen kunnen vervolgens worden vastgelegd in een afbeelding met behulp van een foto-emissie-elektronenmicroscoop en een resolutie van enkele nanometers. Vanwege de snelle vervaltijden werden sequenties van ultrakorte laserpulsen gebruikt om de “vingerafdruk” van de superpositietoestanden van het licht te verkrijgen.

Dit is een eerste stap in de richting van het doel om de volledige kwantumfysische toestand van gekoppelde fotonen en elektronen direct op nanoschaal te analyseren. Een proces dat, net als in de geneeskunde, wordt beschreven met de term tomografie. Het licht in de kantoren en laboratoria van de betrokken wetenschappers moet dus duidelijk aan blijven.