Stel je voor: je hebt een apparaat dat stabiele energie uitzendt zonder dat je er ook maar één batterij in hoeft te stoppen. Klinkt als sciencefiction, toch? Toch is dat precies wat een team van Oostenrijkse en Japanse fysici heeft geflikt met een kwantumsysteem. Ze zagen een microgolfsignaal ontstaan en zichzelf in stand houden, iets wat volgens de traditionele theorie absoluut onmogelijk zou zijn zonder externe hulp.
Dit is geen klein detail in het natuurkundeboek; dit gooit de handleiding voor collectieve kwantumgedragingen overhoop. Als je dit wilt begrijpen, moet je weten dat dit fenomeen – superradiance – normaal gesproken een gigantische maar korte flits is. Maar nu zien we iets nieuws: een stabiele, aanhoudende 'vonk'.
Wat de natuurkunde ons altijd leerde over 'Superradiance'
Wanneer je kwantumdeeltjes samenwerk in harmonie, is het effect vele malen sterker. Dat noemen we superradiance. Denk aan een groep mensen die tegelijkertijd roepen; de totale geluidssterkte is veel groter dan de som van alle losse stemmen.
Het probleem? Deze samenwerking is vluchtig. De energie schiet eruit, en dan is het stil. Net zoals een dure, zeldzame Nederlandse tulpensoort die het na één perfecte bloei meteen begeeft. De deeltjes raken uitgeput, en de coherentie verdwijnt.
De onmogelijke truc: zelfonderhoudend zenden
In de praktijk hebben de onderzoekers een slimme set-up gebruikt. Ze combineerden een microgolfresonator (een soort resonantiekamer) met een hele hoop *NV-centra* in diamant. Dit zijn atoomfouten in het koolstofrooster die we kunnen gebruiken als minuscule kwantumcomputers.
- De spin van de elektronen fungeerde als de kwantumdeeltjes.
- Ze communiceerden met elkaar én met het elektromagnetische veld in de doos.
- Eerst kregen ze de verwachte, korte puls.
Maar toen, en dit is het cruciale punt, begon het systeem zichzelf te ‘pompen’. Er verschenen opeenvolgende, korte maar zeer scherpe microgolfpulsen zonder dat er input nodig was.
Het geheim zit in de 'ruis'
Je zou verwachten dat de interacties tussen de spins de boel zouden verpesten. Interne wrijving is de vijand van kwantummechanica; het leidt tot decoherentie, ofwel, chaos.
Maar hier gebeurde het tegenovergestelde. De interne interacties tussen de spins (spin-spin interacties) bleken de energie zo slim te herverdelen dat de kwantumtoestanden steeds opnieuw werden 'opgeladen'. Dit is de zelforganisatie die we eerder niet voor mogelijk hielden.
In mijn praktijk als tech-volger, zag ik dit als het moment dat een motor zichzelf begint te smeren en tegelijkertijd brandstof bijtankt. Dit impliceert dat wat wij vaak zien als 'storende ruis' in kwantumsystemen, feitelijk een bron van stabiliteit kan zijn.
Wat betekent dit voor onze eigen technologie?
Dit klinkt misschien ver weg, maar de implicaties voor de technologie die we hier in Nederland in laboratoria gebruiken, zijn groot. Vrijwel elk gevoelig meetinstrument heeft last van elektromagnetische storingen of vereist extreem stabiele klokpulsen.
Wat we nu potentieel hebben, is een bron van microgolven die van nature extreem nauwkeurig en constant is. Denk aan sensoren die tien keer gevoeliger zijn voor de kleinste veldverandering, of aan nieuwe generaties communicatie.
Als we dit principe in de praktijk kunnen brengen, zou dit de ontwikkeling van high-end medische scanners of extreem precieze navigatiesystemen een enorme boost geven. Je hebt dan geen complexe, energieverslindende externe klok meer nodig; de bron genereert haar eigen perfecte ritme.
De les hier is duidelijk: de natuur is vaak creatiever dan onze meest geavanceerde modellen suggereren. Wat we dachten dat een fout was, bleek een briljante oplossing.
Welke alledaagse technologie denk jij dat de komende tien jaar door dit soort kwantumdoorbraken compleet overhoop gegooid zal worden?
