Van inbraakalarm tot zwarte gaten detector

Kort & bondig

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 RUG-natuurkundige Anupam 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 een nieuw artikel dat op 4 juni is gepubliceerd in Physical Review Research beschrijven de onderzoekers 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.

Is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Dat is een van de grote open vragen in de natuurkunde. Vorig jaar heeft Anupam Mazumdar, hoogleraar Theoretische Natuurkunde aan de RUG, samen met collega’s een experiment bedacht dat deze vraag kan beantwoorden. Centraal daarin 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.

Diamant

Absorptie van de energie zou de spin van het elektron, een magnetisch moment dat de waarden ‘op’ en ‘neer’ kan hebben, veranderen. ‘Net als de beroemde kat van Schrödinger, die tegelijk dood en levend is, heeft het elektron de energie van het foton wel en niet geabsorbeerd, waardoor de spin zowel op als neer is’, legt Mazumdar uit. Dit zorgt voor een zogeheten 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’, legt Mazumdar uit. 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.

Ruimtepuin

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 ideale – wel wat complexe – bewegingssensor voor een inbraakalarm 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.

Referentie: Marko Toroš, Thomas W. van de Kamp, Ryan J. Marshman, M. S. Kim, Anupam Mazumdar, and Sougato Bose: Relative acceleration noise mitigation for nanocrystal matter-wave interferometry: Applications to entangling masses via quantum gravity. Phys. Rev. Research, 4 juni 2021