Een opstapje naar het meten van kwantumzwaartekracht

Een groep theoretisch natuurkundigen, waarvan er twee aan de RUG verbonden zijn, heeft een ‘tafelmodel’ apparaat ontworpen dat zwaartekrachtgolven kan meten. Maar hun uiteindelijke doel is om een van de grootste vragen uit de natuurkunde te beantwoorden: is zwaartekracht een kwantum-fenomeen? Het sleutelelement in het ontwerp, dat op 6 augustus is gepubliceerd in het tijdschrift New Journal of Physics, bestaat uit de kwantumsuperpositie van grote objecten.

Al voor de officiële publicatie was het artikel, geschreven door Ryan J. Marshman, Peter F. Barker en Sougato Bose (University College London, VK), Gavin W. Morley (University of Warwick, VK) en RUG-natuurkundigen Anupam Mazumdar en Steven Hoekstra, geroemd als een revolutionair nieuwe methode om zwaartekrachtgolven te meten. In plaats van de huidige detectoren LIGO en VIRGO, die bestaan uit kilometers lange bouwwerken, presenteerden de Britse en Nederlandse onderzoekers een tafelmodel detector. Dit apparaat zou bovendien gevoelig zijn voor golven met lagere frequenties dan de huidige detectoren en is eenvoudig op een bepaald deel van de hemel te richten, terwijl de huidige detectoren een vaste positie hebben.

Diamant

Het hart van het apparaat bestaat uit een piepkleine diamant, niet groter dan een paar nanometer. ‘In deze diamant is een van de koolstofatomen vervangen door een stikstofatoom’, legt adjunct hoogleraar Anupam Mazumdar uit. Dit atoom zorgt voor een vrije ruimte in de valentieband (de baan waarin elektronen zich kunnen bevinden), zodat er een extra elektron in past. Volgens de kwantumtheorie kan dit elektron, na bestraling met laserlicht, de energie wel of niet opnemen. Absorptie van lichtenergie verandert de elektronenspin, een magnetisch moment dat de waarden op of neer kan hebben.

‘Net zoals de beroemde kat van Schrödinger, die tegelijkertijd dood en levend is, heeft de elektronenspin de energie van het licht wel en niet geabsorbeerd en heeft dus de waarde op én neer.’ Dit fenomeen heet kwantum superpositie. Aangezien het elektron deel uitmaakt van de diamant is het hele object – met een massa van 10^-17 kilo, wat voor kwantumfenomenen enorm groot is – in kwantum superpositie.

‘We hebben dan dus een diamant waarvan de spin tegelijkertijd op en neer is’, legt Mazumdar uit. Door een magnetisch veld aan te brengen is het mogelijk beide kwantum-toestanden van elkaar te scheiden. Wanneer ze vervolgens weer bij elkaar worden gebracht door het magneetveld uit te zetten, veroorzaken beide toestanden een interferentiepatroon. ‘De aard van de interferentie hangt af van de afstand die er is geweest tussen beide kwantumtoestanden. En daarmee kunnen we de passage van een zwaartekrachtgolf meten.’ Die golven zorgen voor een samentrekking van de ruimte, en beïnvloeden dus de afstand tussen de twee gescheiden kwantumtoestanden – en daarmee het interferentiepatroon.

Missende schakel

Het nieuwe artikel laat zien dat deze opstelling inderdaad geschikt is om zwaartekrachtgolven te meten. Maar dat is voor Mazumdar eigenlijk niet de hoofdzaak. ‘Een systeem waarin we een kwantumsuperpositie van een mesoscopisch groot object zoals de diamant kunnen krijgen, en dat gedurende een redelijk lange tijd, zou een enorme doorbraak zijn’, aldus Mazumdar. ‘Daarmee zouden we allerlei metingen kunnen doen. En een daarvan is te bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is.’ Kwantumzwaartekracht is al bijna een eeuw de ‘missende schakel’ in de natuurkunde.

In een eerder artikel, gepubliceerd in 2017 (1), hebben Mazumdar, zijn jarenlange onderzoekspartner Sougato Bose en enkele andere collega’s voorgesteld om verstrengeling tussen twee mesoscopische objecten te gebruiken om uit te zoeken of zwaartekracht inderdaad een kwantumfenomeen is. Kort samengevat: verstrengeling is zelf een kwantumfenomeen, dus wanneer twee objecten waartussen alleen een interactie via zwaartekracht bestaat verstrengeling vertonen, bewijst dit dat zwaartekracht een kwantumfenomeen is.

Technologie

‘In ons nieuwe artikel beschrijven we hoe je zo’n kwantumsuperpositie van mesoscopische objecten kunt realiseren. Met twee van deze systemen kun je vervolgens verstrengeling onderzoeken.’ Maar tijdens hun onderzoek zagen ze dat een enkel systeem al gevoelig was voor zwaartekrachtgolven, daarom is dat het speerpunt geworden van het artikel in New Journal of Physics.

‘Het zal nog wel enkele tientallen jaren duren om de benodigde technologie te ontwikkelen’, erkent Mazumdar. Er is een extreem hoog vacuüm nodig, van 10-15 Pascal, en de temperatuur van de opstelling moet zo laag mogelijk zijn, vlak bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). ‘De technologie om een hoog vacuüm of zo’n extreem lage temperatuur te krijgen bestaat al, maar wij hebben allebei tegelijk nodig.’ Bovendien moet het magneetveld zeer constant zijn: ‘Zelfs de kleinste fluctuatie zou de kwantumsuperpositie doen instorten.’

Vrije val

Maar als het lukt zo’n systeem te bouwen zal de beloning groot zijn. ‘Je kunt het gebruiken voor allerlei metingen, bijvoorbeeld in ultra-lage energie natuurkunde of onderzoek naar kwantumcomputers.’ En het is dan natuurlijk ook mogelijk om te bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Mazumdar, Bose en hun collega’s hebben net een nieuwe preprint online gezet (2), waarin ze beschrijven hoe dat experiment eruit moet zien. ‘Om er voor te zorgen dat de interactie tussen de verstrengelde objecten alleen via de onderlinge zwaartekracht loopt, moet je het experiment in vrije val doen’, legt Mazumdar uit. Met zichtbaar enthousiasme beschrijft hij een ‘valtoren’ die bestaat uit een verticale tunnel van een kilometer, diep in een mijn om iedere verstoring van buiten te voorkomen. De twee verstrengelde objecten moeten een groot aantal keren door de schacht vallen om betrouwbare resultaten te krijgen. ‘Ik denk dat het mogelijk is tijdens mijn leven. En het resultaat zal eindelijk uitsluitsel geven over een van de grootste vragen in de natuurkunde.’

Referentie: Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar, Gavin W Morley, Peter F Barker, Steven Hoekstra and Sougato Bose: Mesoscopic interference for metric and curvature & gravitational wave detection. New Journal of Physics, 6 augustus 2020.

Voetnoten:

(1) Spin Sougato Bose et al: Entanglement Witness for Quantum Gravity. Phys Rev Letters 2017.

(2) M. Toroš, T. W. van de Kamp, R. J. Marshman, M. S. Kim, A. Mazumdar, S. Bose: Relative Acceleration Noise Mitigation for Entangling Masses via Quantum Gravity . arXiv 29 July 2020.