Natuurkundigen in Israël hebben een kwantuminterferometer gemaakt op een atoomchip. Dit apparaat kan worden gebruikt om de grondbeginselen van de kwantumtheorie te onderzoeken door het interferentiepatroon tussen twee bundels atomen te bestuderen. Natuurkundige van de Rijksuniversiteit Groningen, Anupam Mazumdar, beschrijft hoe het apparaat kan worden aangepast om mesoscopische deeltjes te gebruiken in plaats van atomen. Deze wijziging zou zorgen voor uitgebreide toepassingen. Een beschrijving van het apparaat en theoretische overwegingen met betrekking tot de toepassing ervan door Mazumdar werden op 28 mei in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap Advances.

Het apparaat dat wetenschappers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev hebben gemaakt, is een zogenaamde Stern Gerlach Interferometer, die honderd jaar geleden voor het eerst werd voorgesteld door de Duitse natuurkundigen Otto Stern en Walter Gerlach. Hun oorspronkelijke doel om een ​​interferometer te maken met vrij voortplantende atomen die zijn blootgesteld aan gradiënten van macroscopische magneten, is tot nu toe praktisch niet gerealiseerd. 'Zulke experimenten zijn gedaan met fotonen, maar nooit met atomen', vertelt Anupam Mazumdar, hoogleraar theoretische fysica aan de Rijksuniversiteit Groningen en een van de co-auteurs van het artikel in Wetenschap Advances.

Ruiten
De Israëlische wetenschappers, onder leiding van professor Ron Folman, creëerden een interferometer op een atoomchip, die atomen kan opsluiten en/of manipuleren. Met behulp van magneten wordt een straal rubidium-atomen over de chip zwevend gehouden. Magnetische gradiënten worden gebruikt om de bundel te splitsen volgens de spinwaarden van de individuele atomen. Spin is een magnetisch moment dat twee waarden kan hebben, omhoog of omlaag. De spin-up en spin-down atomen worden gescheiden door een magnetische gradiënt. Vervolgens worden de twee divergerende bundels weer bij elkaar gebracht en weer gecombineerd. Vervolgens worden de spinwaarden gemeten en wordt een interferentiepatroon gevormd. Spin is een kwantumfenomeen en in deze interferometer zijn de tegenovergestelde spins verstrengeld. Dit maakt de interferometer gevoelig voor andere kwantumverschijnselen.

Mazumdar was niet betrokken bij de constructie van de chip, maar hij droeg wel theoretische inzichten bij aan de paper. Samen met een aantal van zijn collega's stelde hij eerder een experiment voor om te bepalen of zwaartekracht inderdaad een kwantumverschijnsel is met behulp van verstrengelde mesoscopische objecten, namelijk kleine diamanten die in een staat van kwantumsuperpositie kunnen worden gebracht. 'Het zou mogelijk zijn om deze diamanten te gebruiken in plaats van de rubidiumatomen op deze interferometer', legt hij uit. Dit proces zou echter zeer complex zijn omdat het apparaat, dat momenteel bij kamertemperatuur wordt gebruikt, voor het mesoscopische experiment moet worden afgekoeld tot ongeveer 1 Kelvin.

Vrije val
Als dit wordt gerealiseerd, zouden twee van deze atoomchips vrij samen kunnen vallen (om externe zwaartekracht te neutraliseren), zodat elke interactie die tussen hen optreedt afhankelijk zou zijn van de zwaartekracht tussen de twee chips. Mazumdar en zijn collega's willen bepalen of kwantumverstrengeling van het paar optreedt tijdens een vrije val, wat zou betekenen dat de zwaartekracht tussen de diamanten inderdaad een kwantumfenomeen is. Een andere toepassing van dit experiment is de detectie van zwaartekrachtgolven; hun vervorming van de ruimte-tijd moet zichtbaar zijn in het interferentiepatroon.

De daadwerkelijke implementatie van dit experiment is nog ver weg, maar Mazumdar is erg enthousiast nu de interferometer is gemaakt. 'Het is al [een] kwantumsensor, al moeten we nog uitzoeken wat hij precies kan detecteren. Het experiment is als de eerste stapjes van een baby – nu moeten we hem begeleiden om volwassen te worden.'

###

Referentie: Yair Margalit, Or Dobkowski, Zhifan Zhou, Omer Amit, Yonathan Japha, Samuel Moukouri, Daniel Rohrlich, Anupam Mazumdar, Sougato Bose, Carsten Henkel en Ron Folman: Realisatie van een complete Stern-Gerlach-interferometer: Op weg naar een test van kwantumzwaartekracht Wetenschapsvooruitgang, online 28 mei 2021.