Nieuwe stap naar kwantumfysica ‘in het gewone leven’

Wetenschappers van de TU Delft hebben een belangrijke stap genomen richting het waarnemen van kwantumeffecten bij grote objecten. Ze creëerden een extreem reflecterend membraan, met het blote oog zichtbaar, dat nagenoeg zonder energie te verliezen kan trillen bij kamertemperatuur.

Schommel

"Stel je voor dat ik je één duw geef op een schommel, en stel je voor dat deze duw je in staat stelt om bijna tien jaar rustig door te schommelen.  Wij hebben nu op een silicium chip zo’n schommeltje gebouwd van een paar millimeter groot", vertelt prof. Simon Gröblacher van het Kavli Institute of Nanoscience van de  TU Delft.

Trekspanning

"Om vrijwel zonder energieverlies te kunnen trillen hebben we ultradunne laagjes van een keramisch materiaal op silicium chips aangebracht. Hier kunnen we een trekspanning in aanbrengen die vergelijkbaar is met 10 000 keer de spanning in een autoband, opgeslagen in opgespannen membranen van een paar milimeter en een dikte van acht keer de dikte van DNA", zegt Richard Norte, hoofdauteur van een publicatie hierover in Physical Review Letters. "De combinatie van zeer grote opgeslagen energie en de ultradunne geometrie zorgt ervoor dat de membranen extreem lang kunnen trillen, waarbij ze maar heel weinig energie verliezen".

Superspiegels

Om met een laser de beweging van de membranen te kunnen volgen,  is het nodig dat ze extreem reflecterend zijn. Met zo’n dun object kan dat alleen door een ‘meta-materiaal’ te maken  door het etsen van een microscopisch patroon in het membraan. "We hebben hiermee in feite de dunste superspiegels van de wereld gemaakt, met een reflecterend vermogen van meer dan 99%. De membranen zijn daarmee ook ‘s werelds beste krachtsensoren op kamertemperatuur. Ze zijn zo gevoelig dat ze de zwaartekracht kunnen voelen die twee mensen op een afstand van 100 km op elkaar uitoefenen", zegt Richard Norte.

Kamertemperatuur

"Door de combinatie van het hoge reflectievermogen en het extreem lage energieverlies zijn we een grote stap dichterbij het waarnemen van kwantumfysica bij grote objecten op kamertemperatuur", zegt Gröblacher. Omdat zelfs een enkel ‘kwantum’ vibratie genoeg is om de fragiele kwantumtoestand van grote objecten te vernietigen (een proces wat ‘decoherence’ heet), moesten onderzoekers tot nu toe grote cryostaten gebruiken om hun onderzoeksobjecten extreem te koelen en te isoleren van de warmte van onze normale buitenwereld. Grote kwantum-oscilatoren bouwen die bestand waren tegen decoherence is lang een ongrijpbaar hoogstandje geweest voor natuurkundigen. 

Dit is interessant voor het fundamenteel beter begrijpen van de wereld. Een van de wonderlijkste voorspellingen van de kwantummechanica is dat dingen op twee plaatsen tegelijkertijd kunnen zijn. Zulke kwantum-superposities zijn overtuigend aangetoond voor objecten als elektronen en atomen, waarvan we weten dat de kwantumtheorie uitstekend werkt.

Koffiebekers

Maar kwantummechanica zegt ook dat dezelfde regels zouden moeten gelden voor macroscopische objecten: een koffiebeker kan tegelijkertijd op de tafel staan en in de vaatwasser zitten, of Schrödinger’s kat kan in superpositie zijn van tegelijkertijd dood en levend. Dit zien we alleen niet in ons dagelijks leven: de koffiebeker is of schoon, of vies, en de kat is dood of levend. Hoe experimenteel aan te tonen dat die spreekwoordelijke kat dood en levend tegelijk kan zijn, bij kamertemperatuur, dat is een open vraag in de kwantummechanica. De stappen in dit onderzoek kunnen leiden tot het waarnemen van ‘kwantumkatten’, op voor mensen normale schaal en bij gewone temperaturen.

R. A. Norte, J. P. Moura, and S. Gröblacher, Mechanical Resonators for Quantum Optomechanics Experiments at Room Temperature, Phys. Rev. Lett. 116, 147202 (2016).

Een artist impression van het membraan, gekoppeld aan een laserstraal. Het repeterende patroon maakt het membraan zeer reflecterend, terwijl de dunne verbinding zorgt voor extreem laag mechanisch energieverlies. (ill.: Felix Fricke)