17 feb. 1999
3 minuten
Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California (UC) Berkeley. hebben de kleinste kracht gedetecteerd die ooit is gemeten. Met een combinatie van lasers en een unieke optische ‘val’ die een wolk ultrakoude atomen afgeeft, hebben zij een kracht gemeten van ongeveer 42 yoctonewton. Een yoctonewton is een septiljoende newton, ofwel 10-24 N.
"We hebben een externe kracht uitgeoefend op het massamiddelpunt van een ultrakoude atoomwolk in een ‘optische holte’ en de resulterende beweging optisch gemeten", verklaart fysicus Dan Stamper-Kurn. "Als de uitgeoefende kracht resoneerde met de oscillatiefrequentie van de wolk kregen we een gevoeligheid die overeenkomt met theoretische voorspellingen en slechts een factor vier boven de Standard Quantum Limit, de gevoeligste meting die kan worden gedaan".
Stamper-Kurn beschrijft de resultaten in het artikel "Optically measuring force near the standard quantum limit" in Science. Medeauteurs zijn Sydney Schreppler, Nicolas Spethmann, Nathan Brahms, Thierry Botter en Maryrose Barrios.
Ruimte-tijd rimpels
Als je het bestaan wilt bevestigen van zwaartekrachtgolven, de ruimte-tijd rimpelingen die Albert Einstein voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie, of als je wilt bepalen in welke mate de wet van de zwaartekracht, als beschreven door sir Isaac Newton, nog van toepassing is op microscopische schaal, moet je krachten detecteren en meten die bijna onbevattelijk klein zijn. Wetenschappers op het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo), proberen bijvoorbeeld bewegingen vast te leggen ter grootte van een duizendste van de diameter van een proton.
In het hart van alle ultragevoelige krachtdetectoren bevinden zich mechanische oscillatoren, systemen voor het vertalen van een uitgeoefende kracht in een meetbare mechanische beweging. Maar als kracht- en bewegingsmetingen kwantumniveaus in gevoeligheid bereiken, dan botsen ze op een barrière ten gevolge van het Heisenberg onzekerheidsprincipe, waarbij de meting zelf de beweging van de oscillator verstoort. Dit fenomeen is bekend als kwantummechanische back-action. Deze barrière wordt de Standard Quantum Limit (SQL) genoemd.
Dichter bij SQL
Gedurende de afgelopen decennia zijn uiteenlopende strategieën toegepast om de quantum back-action te minimaliseren en dichter bij de SQL te komen, maar de beste van dezen technieken schoten nog zes tot acht grootteordes tekort.
"Wij hebben kracht gemeten met een gevoeligheid die veel dichter in de buurt van de SQL komt", zegt Sydney Schreppler, lid van het team van Stamper-Kurn. "We konden deze gevoeligheid halen doordat onze mechanische oscillator is samengesteld uit slecht 1200 atomen."
In de experimentele opstelling van Schreppler, Stamper-Kurn en collega’s, is het mechanische oscillatorelement een gas van optische ingevangen en tot bijna het absoute nulpunt gekoelde rubidium atomen. De optische val bestaat uit twee staandegolf lichtvelden met golflengten van 860 en 840 nanometer, die gelijke maar tegengestelde axiale krachten uitoefenen op de atomen. Beweging van het massamiddelpunt wordt in het gas geïnduceerd door het moduleren van de amplitude van het 840-nm veld. De response wordt gemeten met een probe-bundel met een golflengte van 780 nanometer.
Pas na 30 jaar
"Als we een externe kracht op onze oscillator uitoefenen, is dat alsof we met een knuppel op een slinger slaan en vervolgens de reactie meten", zegt Schreppler. "De sleutel tot onze gevoeligheid en het benaderen van de SQL zit hem erin dat we in staat zijn om de rubidium atomen te ontkoppelen van hun omgeving en de lage temperatuur vast te houden. Het laserlicht dat we gebruiken om de atomen in te vangen, isoleert ze van externe omgevingsruis maar verwarmt ze niet. Daardoor blijven ze koud en onbeweeglijk genoeg om de gevoeligheidslimieten te benaderen als we er een kracht op uitoefenen."
Schreppler denkt dat het mogelijk moet zijn om nog dichter bij de SQL te komen door een combinatie van nog koudere atomen en nog betere efficiency bij de optische detectie. "In 1980 werd in een wetenschappelijk artikel voorspeld dat de SQL binnen vijf jaar zou kunnen worden bereikt", zegt ze. "Het duurde bijna 30 jaar langer, maar nu hebben we een experimentele opstelling waarmee we heel dicht bij die SQL kunnen komen."
Anderen lazen ook
