Het geluid van een atoom

Onderzoekers van de Zweedse Chalmers University of Technology hebben voor het eerst geluid gebruikt om te communiceren met een kunstmatig atoom. Ze kunnen daarmee fenomenen uit de kwantumfysica demonstreren waarbij geluid de rol van licht overneemt.

De interactie tussen atomen en licht is welbekend en uitgebreid bestudeerd in de kwantumoptica. Maar het blijkt een grotere uitdaging om dezelfde soort interactie te bereiken met geluidsgolven. De wetenschappers van Chalmers zijn er nu in geslaagd om akoestische golven te koppelen aan een kunstmatig atoom. Het onderzoek is gedaan in samenwerking met experimentele en theoretische fysici.

Luisteren naar atomen

"We hebben een nieuwe deur naar de kwantumwereld geopend door te preaten met en te luisteren naar atomen", zegt Per Delsing, leider van het experimentele onderzoeksteam. "Ons doel op de lange termijn is het benutten van de kwantumfysica zodat we kunnen profiteren van de kwantumwetten, bijvoorbeeld in extreem snelle computers. We doen dat door elektrische circuits te maken die gehoorzamen aan de wetten van de kwantumfysica en die we kunnen beheersen en bestuderen."

Een kunstmatig atoom is een voorbeeld van zo;n kwantumelektrisch circuit. Net als een normaal atoom kan het worden geladen met energie, die het vervolgens uitstraalt in de vorm van een deeltje. Dat is gewoonlijk een lichtdeeltje, maar het atoom in het experiment van Chalmers is ontworpen om energie in de vorm van geluid te absorberen e uitstralen.

Geluid in kwantumdeeltjes

"Volgens de theorie is het geluid van het atoom verdeeld in kwantumdeeltjes", zegt Martin Gustafsson, hoofdauteur van een artikel over het onderzoek. "Zo’n deeltje is het zwakste geluid dat kan worden gedetecteerd."

Omdat geluid zich veel langzamer voortplant dan licht opent het akoestische atoom geheel nieuwe mogelijkheden voor het beheersen van kwantumfenomenen.

"Door de lage geluidssnelheid hebben we tijd om de kwantumdeeltjes te besturen terwijl zich voortplanten", aldus Gustafsson. "Dat is moeilijk te realisern met licht, dat 100 000 keer sneller gaat."

De lage snelheid van geluid betekent ook dat het een korte golflengte heeft in vergelijking met licht. Een atoom dat interactie heeft met licht is altijd veel kleiner dan de golflengte. Maar vergeleken met de golflengte van geluid kan het atoom veel groter zijn, wat betekent dat de eigenschappen ervan beter zij te beheersen. Zo kun je het atoom bijvoorbeeld zo ontwerpen dat het alleen koppelt aan bepaalde akoestische frequenties, of dat de interactie met het geluid extreem sterk is.

Oppervlaktegolf

De frequentie die in het experiment werd gebruikt is 4,8 gigahertz, dicht bij de microgolffrequenties die gangbaar zijn in moderne draadloze netwerken. In muziektermen komt dat ongeveer overeen met een D28, ongeveer 20 octaven boven de hoogste noot op een vleugel. Bij dergelijke hoge frquenties wordt de golflengte van het geluid kort genoeg om het te geleiden langs het oppervlak van een microchip. Op dezelfde chip heben de onderzoekers een kunstmatig atoom geplaatst dat 0,01 millimeter lang is en bestaat uit supergeleidend materiaal.

Het artikel Propagating phonons coupled to an artificial atom is pnline gepubliceerd door het tijdschrift Science, op de Science Express website. Zie http://www.sciencemag.org/content/early/recent

Meer details

Het monster dat door de onderzoekers wordt gebruikt is gebouwd op een substraat van galliumarsenide (GaAs) en bevat twee belangrijke onderdelen. Het eerste is een supergeleidend circuit dat het kunstmatige atoom vormt. Dergelijk circuits kunnen worden gebruikt als qubits, de bouwstenen voor een kwantumcomputer.

Het andere essentiële onderdeel staat bekend als een interdigital transducer (IDT). De IDT converteert elektrische microgolven in geluid en vice versa. Het in het experiment gebruikte geluid heeft de vorm van oppervlaktegolven die verschijnen als rimpels op het oppervlak van een vaste stof. De experimenten worden uitgevoerd bij zeer lage temperaturen, vlak bij het absolute nulpunt (20 millikelvin), zodat energie is de vorm van warmte het atoom niet verstoort.

De theoretische onderzoeksgroep publiceerde onlangs een paper over het functioneren van het akoestische atoom.