Stel je een deeltje zo klein als een virus voor dat zweeft, enkel ondersteund door een laserstraal. Het vreemde is dat dit deeltje, vanuit kwantumgezichtspunt, niet op één plek is, maar tegelijkertijd overal tegelijkertijd is. Wetenschappers zijn nu bezig met iets dat de grenzen van onze intuïtie verlegt: ze hebben de 'golflengte' van zo’n zwevend object op een beheerste manier vergroot.
Dit is geen sciencefiction; een team van ETH Zürich en ICFO in Barcelona heeft zojuist bewezen dat ze de coherentielengte, oftewel de afstand waarop een deeltje zich als een golf gedraagt, met meer dan driemaal hebben verlengd. Dit is een cruciale stap om kwantumfenomenen dichter bij alledaagse objecten te brengen.
Een stofje van silica gevangen in licht
Het experiment vindt plaats in een ultra-stabiele, vacuümkamer. Hier vangen onderzoekers een nanodeeltje silica (een soort glasachtig materiaal) met optische pincetten. Dit is een gefocuste laserbundel die fungeert als een lichtgevend 'matras' dat het deeltje in de lucht houdt, geïsoleerd van de omgeving.
Voordat ze beginnen, koelen ze de beweging van het deeltje tot het absolute minimum, de zogenaamde grondtoestand volgens de kwantummechanica. Vanaf dat moment gedraagt het deeltje zich niet langer als een klassieke, kleine trillende knikker, maar als een smal golffront.
Het team geeft toe dat "de kwantumverspreiding van grotere objecten een uitzonderlijke uitdaging is". Zelfs onder bijna perfecte omstandigheden wordt de coherentie meestal beperkt tot schaalniveaus die we niet kunnen zien.
Hoe je een golffunctie 'rekt'
Vanaf hier wordt het delicaat. De natuurkundigen volgen een protocol van koelen, uitrekken en meten. De truc zit hem in hoe ze de lichtval aanpassen.
Gedurende een fractie van een seconde (microseconden) dimmen ze de laserinhoud drastisch. Hierdoor wordt de beperking van het deeltje plotseling verminderd en wordt de positie onzekerder, precies zoals de kwantummechanica voorspelt. De auteur van het originele artikel beschreef het zo: wanneer deze snelle verandering plaatsvindt, "neemt de terugstellende kracht af en de nanobal wordt gedelokaliseerd in de ruimte."
Deze korte pauze in de opsluiting geeft de golffunctie de kans om uit te dijen voordat de val weer wordt aangezet en het deeltje wordt 'opgevangen', maar nu in een meer uitgerekte toestand.
- De initiële coherentielengte was ongeveer 20 picometer.
- Na de expansie stelden ze stabielere lengtes van meer dan 70 picometer vast.
Dit zijn geen afstanden die je voelt bij het boodschappen doen in de lokale AH, maar het is een doorbraak omdat ze hiermee de grens van de nulpuntbeweging doorbreken.
Een stap dichter bij 'macroscopisch' kwantum
Wat ze feitelijk hebben bewezen, is dat je het golfachtige karakter van een object dat al veel groter is dan een enkel atoom, gecontroleerd kunt manipuleren en versterken. Het onderzoek is, volgens de wetenschappers, "een essentiële trede naar delokalisatie-schalen die vergelijkbaar zijn met de grootte van het object zelf".
Als ze de golffunctie in de toekomst zo ver kunnen uitrekken dat deze de omvang van de nanopartikel zelf beslaat, zouden ze interferentie-experimenten kunnen uitvoeren – denk aan de beroemde dubbelspleetproef – maar dan met objecten die uit miljarden atomen bestaan. Dát is het terrein waar de grens tussen de kwantumwereld en wat wij met het blote oog zien echt op de proef wordt gesteld.
Het grootste obstakel blijven de fotonen van de laser zelf, die het deeltje verspreiden (een soort ruisbron). Het team is van plan om de optische val te combineren met elektrische velden die minder last hebben van dit soort verstoringen.
Wat betekent dit voor jouw dagelijks leven?
Op de korte termijn lijkt dit fundamentele natuurkunde. Het gaat morgen je energierekening niet verlagen, noch lost het de stikstofcrisis op.
Maar dit onderzoek bouwt de basis voor een nieuwe generatie kwantumsensoren. Door levitatie in vacuüm te combineren met quantumcontrole over beweging, kunnen deze apparaten extreem zwakke krachten en versnellingen meten. Denk hierbij aan sensoren voor het opsporen van donkere materie of extreem nauwkeurige versnellingsmeters voor in je navigatiesysteem.
Ander onderzoek met zwevende deeltjes, bijvoorbeeld aan King’s College in Londen, wijst ook op verbeterde monitoring van de luchtkwaliteit. Dit kan leiden tot apparatuur met een zeer laag stroomverbruik, ideaal voor het monitoren van de luchtkwaliteit in Nederlandse steden of voor efficiëntere consumentenelektronica.
Het beheersen van hoe een golffunctie 'uitrekt' terwijl deze coherent blijft, is dus meer dan een laboratoriumtruc. Het is een stukje van het technologische ecosysteem dat bepalend zal zijn voor hoe ver we de hybride systemen tussen het zichtbare en het onzichtbare kunnen domineren.
Het oorspronkelijke artikel, getiteld "Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle", is gepubliceerd in Physical Review Letters. Wat vind jij dat deze extreem gevoelige sensoren in de toekomst zouden moeten gaan meten?
