EO

Van inbraakalarm tot zwarte gaten detector

08 juni 2021 om 12:49 uur

Schema van het experimetn. Een stroom deeltjes wordt gesplitst (onder) in twee stromen, en vervolgens gerecombineerd zodat een interferentiepatroon ontstaat (boven). Beeld: Anupam Mazumdar

Is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Dat is een van de grote open vragen in de natuurkunde. Vorig jaar is aan de RUG een experiment bedacht dat deze vraag kan beantwoorden. Dit jaar laten de onderzoekers zien dat kwantum interferentie te gebruiken is om een gevoelige instrument te bouwen dat de beweging van objecten van vlinders via inbrekers tot zwarte gaten kan detecteren.


Het onderzoek is verschenen in Physical Review Research.

 

Al tientallen jaren zoeken natuurkundigen naar een enkele theorie die alle vier de hoofdkrachten uit de natuurkunde kan beschrijven. De kwantumtheorie kan drie van die krachten bijeen brengen, maar de vierde, de zwaartekracht, past daar nog niet in. Een groep natuurkundigen met daarbij Anupam Mazumdar van de RUG heeft onlangs een experiment bedacht waarbij twee kleine diamantjes in vrije val worden bestudeerd. Hiermee zou het mogelijk moeten zijn om te achterhalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Het experiment is uiterst gevoelig voor de kleinste verstoringen. In een nieuw artikel beschrijven Mazumdar en zijn collega's dat die verstoringen minimaal zijn wanneer het experiment in een vacuüm container zit, zodat er geen botsing is met gasdeeltjes. Daarnaast mag er niemand in de buurt van het experiment komen, zodat er geen verstoring is door de bewegende massa's, van vlinders tot vliegtuigen. De gevoeligheid voor bewegende objecten betekent ook dat het experimentele systeem te gebruiken is als een gevoelige bewegingssensor, waarmee onder meer aardbevingen zijn te voorspellen.

Vorig jaar beschreef Mazumdar samen met collega's uit het Verenigd Koninkrijk een experiment dat zou kunnen aantonen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Dit experiment bestaat uit twee relatief grote verstrengelde kwantumsystemen in vrije val. In het nieuwe artikel beschrijven ze hoe twee soorten ruis in het experiment zijn te verminderen. Ze laten ook zien dat kwantum interferentie te gebruiken is om een gevoelige instrument te bouwen dat de beweging van objecten van vlinders via inbrekers tot zwarte gaten kan detecteren.

 

Centraal in het experiment staat een piepkleine diamant, slechts een paar nanometer groot, waarin een van de koolstofatomen is vervangen door stikstof. Volgens de kwantumtheorie kan een extra elektron in dit atoom de energie van een foton uit een laser wel of niet absorberen.

 

Absorptie van de energie zou de spin van het elektron veranderen. Dit zorgt voor een superpositie van de diamant. Met behulp van een magnetisch veld is het mogelijk deze twee kwantumtoestanden te scheiden. Wanneer ze weer bij elkaar worden gebracht door het magneetveld uit te schakelen, zal er een interferentiepatroon ontstaan.

 

De diamant is klein genoeg om in superpositie te zijn, maar groot genoeg om de invloed van de zwaartekracht te voelen. Wanneer twee van deze diamanten naast elkaar worden geplaatst in vrije val verloopt de enige invloed die ze op elkaar hebben via de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen Het experiment is ontwikkeld om te testen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Simpel gezegd: aangezien verstrengeling een kwantumfenomeen is, zou de verstrengeling van twee objecten die alleen een interactie via zwaartekracht hebben bewijzen dat de zwaartekracht inderdaad een kwantumfenomeen is.

 

Botsing

Maar elke bewegende massa zal een effect hebben op dit zeer gevoelige kwantumsysteem. In de nieuwe publicatie beschrijven Mazumdar en collega's hoe die verstoringen zijn te minimaliseren. En ze laten zien dat het systeem ook te gebruiken is als sensor voor bewegende massa's. De eerste bron van ruis in het experiment is de botsing van gas met de capsule die het experiment bevat tijdens de vrije val. Zelfs een botsing met fotonen kan een verstoring veroorzaken. "Onze berekeningen laten zien dat deze effecten zijn terug te dringen door de capsule in een tweede, grotere capsule te plaatsen, met een gecontroleerd milieu", zegt Mazumdar . De ruis is miminaal wanneer in die tweede container de druk 10-6 Pascal is, zelfs bij kamertemperatuur. In de capsule met het experiment zijn extremere condities nodig. De onderzoekers schatten dat de druk daar 10-15 Pascal moet zijn, bij een temperatuur van ongeveer 1 Kelvin. Dat is met de huidige stand van de techniek niet haalbaar, maar Mazumdar denkt dat het binnen twintig jaar wel mogelijk moet zijn.

 

Bewegende objecten in de buurt van het experiment, zelfs zo klein als een vlinder, vormen een tweede bron van ruis. Berekeningen laten zien dat deze ruis is te minimaliseren door dit soort objecten weg te houden van het experiment. Mensen moeten minimaal twee meter afstand houden, voor auto's is dat tien meter. Vliegtuigen mogen niet dichter dan zestig meter van het experiment komen. Dat lijkt allemaal vrij eenvoudig uit te voeren.

 

Wanneer het experiment eenmaal werkt is er nog meer mee te doen dan het onderzoeken van de vraag of zwaartekracht een kwantumfenomeen is, stelt Mazumdar. "Je kunt het in een ruimteschip plaatsen, waar het voortdurend in vrije val is. Dan kun je er ruimtepuin mee zien aankomen. Door verschillende systemen tegelijk te gebruiken is het zelfs mogelijk de baan van dat puin te berekenen." Een andere optie is om zo'n meetsysteem in de Kuipergordel te plaatsen, waar het de beweging van ons zonnestelsel door de ruimte kan meten. "En het zou zwarte gaten in de buurt van het zonnestelsel kunnen vinden."

 

Op aarde zou het kwantumsysteem in staat zijn om tektonische verschuivingen in de bodem te meten en zo misschien aardbevingen te zien aankomen. En aangezien het systeem gevoelig is voor iedere vorm van beweging in de buurt ervan, zou het een - weliswaar wat complexe - bewegingssensor voor een inbraakalarm kunnen zijn. Maar de komende decennia ligt de focus van Mazumdar en zijn collega's op het onderzoeken van de vraag of zwaartekracht een kwantumfenomeen is.

 

 

 

Reacties (1)

Interessant artikel! Nog beter leesbaar en te interpreteren wanneer na overname van het stuk tekst de gehanteerde, verkorte eenheden voor druk (Pascal), in hun grootte hier weergegeven als een getal met een negatieve exponent van het getal 10, ook voorafgegaan was door de letter E. Bijv. 10-6 als 10E-6 en 10-15 Pascal als 10E-10.
Pieter Zijlstra, 18 juni 2021 14:03
 

Gerelateerd nieuws

Wiskundige doorbraak maakt chips factor 1000 energiezuiniger

Wiskundige doorbraak maakt chips factor 1000 energiezuiniger

Een wiskundige doorbraak van Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) laat neuromorfe chip hartafwijkingen, spraak en handgebaren tot duizendmaal energiezuiniger herkennen. Zulke energiezuinige AI-chips zijn ideaal voor…

Warmteopslag voor de energietransitie

Warmteopslag voor de energietransitie

In Duitsland gaat 55 procent van het eindverbruik van energie naar verwarming en koeling. Veel warmte wordt echter ongebruikt afgevoerd omdat deze niet wordt gegenereerd wanneer dat nodig is. Thermische opslag met behulp…

Een gevoelige manier om transistordefecten te detecteren

Een gevoelige manier om transistordefecten te detecteren

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Pennsylvania State University hebben een nieuwe, zeer gevoelige methode bedacht en getest voor het detecteren en tellen van defecten in…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

21 oktober 2021, online

Altair Future.Industry Experience

Over ontwikkelingen in de maakindustrie.

10 november 2021

Google Innovation Bootcamp

Een online internationaal evenement op het gebied van infra, data en workspace.

10 november 2021

Precisiebeurs

Het jaarlijkse ontmoetingsmoment voor professionals uit de precisietechnologie.

Meer agendapunten »