Je leest:

Quantumheersers beloond met Nobelprijs

Quantumheersers beloond met Nobelprijs

Auteur: | 9 oktober 2012

Serge Haroche en David J. Wineland brachten de ongrijpbare quantumwereld binnen handbereik. Met knappe lichtexperimenten konden ze de eigenschappen van enkele quantumdeeltjes meten en bewerken. Samen delen ze dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde, zo maakte het Nobelcomité vandaag bekend.

In een atoom bepaalt de quantummechanica de beweging van de elektronen.

Zonder dat we er iets van merken is de natuur op microscopische schaal volslagen anders dan wij kennen. Hier, waar de allerkleinste deeltjes als atomen en fotonen de dienst uitmaken, regeren de natuurwetten van de quantummechanica. Volgens deze wetten kunnen deeltjes bijvoorbeeld spontaan ergens opduiken of op meerdere plekken tegelijk zijn. Lang bestond deze magische quantumwereld alleen op papier. Het Nobelprijswinnende onderzoek bracht deze ongrijpbare wereld binnen handbereik.

Quantumpioniers

Om echt iets van de quantumwereld te zíen moet je doordringen tot de absolute kern: een enkel deeltje. Quantumeffecten zijn namelijk bijzonder fijngevoelig; bij de geringste trilling of warmte van de omgeving verdwijnen ze al. Hoe meer quantumdeeltjes bij elkaar zijn, hoe sneller dit gebeurt. Dit verklaart bijvoorbeeld waarom wij nooit quantumeffecten zien: het is daar simpelweg te warm en te groot voor.

Quantumeffecten kun je dus alleen bestuderen als je losse quantumdeeltjes compleet kunt afschermen van de omgeving. Dat is extreem lastig, want het waarnemen alleen al kan de quantumeffecten vernietigen. Natuurkundigen Serge Haroche (68) en David J. Wineland (68) behoorden tot de eersten die dit schier onmogelijke kunstje gedaan kregen. Zij slaagden er onafhankelijk van elkaar in om losse atomen en fotonen te vangen en te manipuleren, zodanig dat quantumeffecten behouden bleven. Volgens het Nobelcomité ‘openden ze de deur naar een nieuw tijdperk van experimenten aan quantumfysica’.

De heren waren vanzelfsprekend blij verrast. Haroche liet kort na de bekendmaking tijdens de persconferentie per telefoon weten dat toen hij zag dat hij gebeld werd vanuit Zweden, hij ‘even moest gaan zitten’. Wineland werd wakker gebeld door het Nobelcomité (bij hem was het ’s nachts). “Voorlopig zullen we niet verder gaan slapen”, zei hij in een audio-interview op de website van de Nobelprijs.

Het concept van een ‘ionenval’ ziet tegenwoordig toepassing in optische klokken.
NPL

Ionen vangen

Wat deden ze precies voor experimenten? De groep van Wineland wist ionen – elektrisch geladen atomen – gevangen te houden tussen omringende elektrische velden. Ze deden het experiment in vacuüm en bij extreem lage temperatuur, zodat de omgeving geen invloed had op de deeltjes. De deeltjes hadden de laagst mogelijk energie. In jargon: ze bevonden zich in de grondtoestand.

Door behendig gebruik van laserpulsen kon het team van Wineland een gevangen ion heel subtiel in een iets hogere energietoestand duwen, maar zodanig dat het deeltje óók in de grondtoestand bleef. Het was op dat moment dus in twee energietoestanden tegelijk. In de quantummechanica heet dit superpositie. Niet eerder was het mogelijk dit quantumeffect in de praktijk te bestuderen.

Deze techniek om ionen te vangen wordt tegenwoordig ook ingezet om zeer nauwkeurige atoomklokken te bouwen, in theorie honderd keer nauwkeuriger dan de beste atoomklok die we nu hebben. Zou je zo’n ‘optische klok’ sinds de oerknal hebben laten meetikken, dan zou hij intussen slechts vijf seconden uit de pas lopen.

David J. Wineland.

Wikimedia Commons

David J. Wineland in het kort:

De Amerikaan David Jeffrey Wineland werd in 1944 geboren in Milwaukee. Hij studeerde aan de Berkeley-universiteit van California, en promoveerde in 1970 aan de Harvard Universiteit. In 1975 begon hij de Ion Storage Group aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, waar hij zijn prijswinnende experimenten deed. Hier is hij nog altijd werkzaam. Tevens doet hij onderzoek aan de Universiteit van Colorado. Hij won in het verleden al diverse prijzen en erkenningen voor zijn werk.

Fotonen vangen

Waar Wineland atomen gevangen hield en ze bewerkte met licht, deed Haroche precies het omgekeerde. In zijn lab in Parijs liet hij fotonen heen en weer kaatsen tussen twee spiegels in een kleine holte. Deze spiegels reflecteerden zo goed dat een foton bijna een tiende van een seconde rondstuiterde totdat het werd geabsorbeerd. Dat lijkt niet lang, maar in die tijd kan een deeltje 40.000 kilometer afleggen – gelijk aan een reis rondom de aarde.

Gedurende die ‘lange’ tijd dat een foton heen en weer stuitert, kan Haroche speciaal ontworpen, extra grote atomen door de holte heen sturen. Meting aan bepaalde eigenschappen van deze atomen voor en na passeren van de holte kan hem meer vertellen over de quantumeigenschappen van het foton. De atomen werken dus als een soort spion: ze houden het foton in de gaten zonder dat dit zijn fragiele quantumeigenschappen verliest.

Met dit experiment kon Haroche verschillende quantumtoestanden van het foton waarnemen. Maar hij kon ook laten zien dat de quantumeffecten na een bepaalde tijd verdwijnen. Hij leverde hiermee het experimentele bewijs voor decoherentie – het idee dat quantumeffecten naar de omgeving weglekken. In zekere zin stond Haroche aan de basis van de experimenten die de grens opzoeken van de quantumwereld – is er een duidelijk moment waar quantumeffecten ophouden te bestaan? Deze zoektocht is tegenwoordig nog volop gaande.

Serge Haroche.

Collège de France

Serge Haroche in het kort:

De Fransman Serge Haroche werd in 1944 geboren in Casablanca, in Marokko. Hij is momenteel werkzaam aan het instituut waaraan hij ook studeerde, het École Normale Supérieure in Parijs. Hij promoveerde in 1971 aan de Pierre-en-Marie-Curie universiteit in Parijs. Tussen 1975 en 2001 was hij hier ook hoogleraar. Sindsdien is hij hoogleraar quantumfysica aan het Collège de France. Ook hij won al vele prijzen en awards voor zijn onderzoek.

Super-pc

Kortom, met hun supergevoelige experimenten hebben Haroche en Wineland letterlijk en figuurlijk hun licht laten schijnen op de voorheen onzichtbare quantumwereld. Naast hun fundamentele bijdragen aan de quantumoptica – de tak van sport waarbij je licht gebruikt om de quantumwereld te bestuderen – heeft hun onderzoek ook praktische toepassing.

Pixabay, vrijgegeven in het publieke domein

De eerder genoemde optische klok is een goed voorbeeld, maar ook de gedroomde quantumcomputer wordt vaak genoemd. Deze computer gebruikt de quantumeigenschappen van deeltjes om supersnelle berekeningen te kunnen doen. Voorlopig is zo’n computer nog ver weg, maar het onderzoek van Haroche en Wineland heeft zo’n computer wel in beeld gebracht.

Zie ook:

Lees meer op Kennislink over de quantumwereld:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/quantummechanica/quantumfysica/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Lees meer over quantumtheorie op Wetenschap24:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 09 oktober 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.