Interferometer op een atoomchip kan kwantumzwaartekracht aantonen

Natuurkundigen in Israël hebben een kwantum interferometer gemaakt op een atoomchip. Hiermee is het mogelijk de fundamenten van de kwantumtheorie te bestuderen, via het interferentiepatroon tussen twee stromen van atomen. RUG-natuurkundige Anupam Mazumdar beschrijft hoe dit systeem is aan te passen voor gebruik met grotere deeltjes dan atomen. Dit zou nieuwe toepassingen mogelijk maken. Een artikel met de beschrijving van de chip en de theoretische suggesties van Mazumdar is op 28 mei gepubliceerd in Science Advances.

Wat de wetenschappers van de Ben-Gurion Universiteit in de Negev hebben gemaakt is een zogeheten Stern Gerlach interferometer, die honderd jaar geleden is beschreven door de Duitse natuurkundigen Otto Stern en Walter Gerlach. Die bedachten een interferometer waarin een stroom atomen wordt blootgesteld aan een magnetische gradiënt, maar hun ontwerp was nooit eerder volledig gerealiseerd. ‘Dit soort experimenten is wel gedaan met fotonen, maar nooit met atomen’, legt RUG-hoogleraar Theoretische Natuurkunde Anupam Mazumdar uit. Hij is een van de auteurs van het artikel in Science Advances

Diamanten

De wetenschappers uit Israël, onder leiding van professor Ron Folman, maakten de interferometer op een atoomchip, een systeem waarin het mogelijk is atomen op te sluiten en te manipuleren. Een straal rubidium atomen zweeft op een magneetveld boven de chip. Met behulp van een magnetische gradiënt is de straal gesplitst op basis van de spinwaarde van individuele atomen. De spin is een magnetisch moment dat twee waarden kan hebben: op of neer. De spin-op en spin-neer atomen worden via de magnetische gradiënt gescheiden. Vervolgens worden de twee afzonderlijke stromen weer bij elkaar gebracht. Als ze recombineren ontstaat er een interferentiepatroon. Omdat spin een kwantumfenomeen is, zijn de tegengestelde spinstromen boven de chip verstrengeld. Dat maakt de interferometer gevoelig voor andere kwantumeffecten.

Mazumdar was niet betrokken bij de bouw van de chip, maar leverde wel theoretische ideeën aan voor het artikel. Samen met enkele collega’s heeft hij eerder een experiment bedacht waarmee hij kan bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is, door verstrengelde macroscopische objecten te gebruiken, kleine diamantjes die in een kwantum-superpositie zijn te brengen. ‘Het moet mogelijk zijn om op deze interferometer die diamantjes te gebruiken in plaats van de rubidium atomen’, aldus Mazumdar. Maar dat is nog een hele klus, aangezien de chip dan niet, zoals nu, bij kamertemperatuur kan werken, maar moet worden gekoeld tot 1 Kelvin.

Vrije val

Wanneer dit lukt is het mogelijk om twee van deze chips samen in vrije val te brengen, wat de externe zwaartekracht neutraliseert. Als er interactie is tussen de twee chips kan die alleen verlopen via de onderlinge zwaartekracht. Mazumdar en zijn collega’s willen onderzoeken of er kwantum verstrengeling optreedt tussen de twee chips in vrije val: dit zou betekenen dat de zwaartekracht tussen de diamantjes inderdaad een kwantumfenomeen is. Een andere toepassing is het detecteren van zwaartekrachtgolven. Die vervormen de ruimtetijd, wat zichtbaar moet zijn in het interferentiepatroon.

De uitvoering van dit experiment zal nog wel even op zich laten wachten, maar Mazumdar is erg enthousiast dat de interferometer nu is gebouwd. ‘Het is al een kwantum-sensor, al moeten we nog uitzoeken wat hij precies kan meten. Dit experiment is als de eerste stapjes van een baby – we moeten hem nu helpen volwassen te worden.’

Referentie: Yair Margalit, Or Dobkowski, Zhifan Zhou, Omer Amit, Yonathan Japha, Samuel Moukouri, Daniel Rohrlich, Anupam Mazumdar, Sougato Bose, Carsten Henkel and Ron Folman: Realization of a complete Stern-Gerlach interferometer: Toward a test of quantum gravity Science Advances, online 28 mei 2021.