De wisselwerking tussen twee beroemde quantumverschijnselen blootleggen

Nieuws - 20 juli 2018 - Webredactie Communication

Het Casimireffect en supergeleiding zijn twee bekende quantumverschijnselen. Los van elkaar zijn deze fenomenen grondig bestudeerd. Maar wat gebeurt er als je de twee effecten samenbrengt in één experiment? Onderzoekers van de TU Delft hebben dat voor het eerst gedaan. Ze hebben een microchip gemaakt waarop twee draden dicht bij elkaar zijn geplaatst, waardoor ze de Casimirkrachten kunnen meten die op deze draden inwerken op het moment dat ze supergeleidend worden

Is een vacuum echt leeg? De quantummechanica vertelt ons dat dit niet zo is, en dat het in een vacuum in werkelijkheid wemelt van de deeltjes. In de jaren veertig van de vorige eeuw voorspelden de Nederlandse natuurkundigen Hendrik Casimir en Dirk Polder dat, wanneer twee objecten zeer dicht bij elkaar worden geplaatst (ongeveer een duizendste van de diameter van een mensenhaar), deze zee van 'vacuümdeeltjes' ze samen zou duwen - een fenomeen dat bekendstaat als het Casimireffect. Deze aantrekkingskracht is aanwezig tussen alle objecten en stelt zelfs fundamentele grenzen aan hoe dicht we componenten bij elkaar kunnen plaatsen op microchips.

Ook supergeleiding is een bekend quantumfenomeen, dat aan het begin van de 20e eeuw door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes werd ontdekt. Het beschrijft hoe bepaalde materialen, zoals aluminium of lood, bij cryogene temperaturen zonder enige weerstand elektriciteit doorlaten. In de afgelopen honderd jaar hebben supergeleiders een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de natuurkunde en zijn ze verantwoordelijk geweest voor bijvoorbeeld magneetzweeftreinen en MRI-scans.

Buiten bereik
Hoewel het Casimireffect en supergeleiding veel bestudeerde quantumfenomenen zijn, is er bijna niets bekend over de wisselwerking tussen de twee. Sommige natuurkundigen denken dan ook dat er belangrijke wetenschappelijke doorbraken op dit vlak kunnen liggen. Het Casimir-effect is overtuigend aangetoond tussen verschillende materialen, maar als gevolg van de grote technologische uitdagingen bij extreem lage temperaturen is het gebruik van supergeleiders om het effect te meten tot nu toe buiten het bereik van de wetenschap gebleven.

In een nieuwe publicatie in Physical Review Letters introduceren onderzoekers van de TU Delft een nieuwe state-of-the-art sensor, waarmee ze voor het eerst de krachten tussen dicht bij elkaar gelegen supergeleiders kunnen meten. De sensor bestaat uit een microchip waarop twee draden vlak naast elkaar zijn geplaatst. De onderzoekers kunnen ze afkoelen tot cryogene temperaturen, waardoor ze supergeleidend worden. “In het midden van de draden zitten gaatjes die als optische resonator fungeren”, legt groepsleider Simon Gröblacher uit. “Laserlicht van een bepaalde golflengte wordt daarin gevangen, en met dit licht kunnen we minieme verschuivingen tussen de twee draden meten. Dat betekent dat we bij elke temperatuur de krachten kunnen meten die op de draden worden uitgeoefend.”

Verdere tests
Met de ongekende gevoeligheid van hun sensor zijn de onderzoekers ook in staat om bepaalde theorieën over quantumzwaartekracht bij temperaturen dichtbij het absoluut nulpunt te onderzoeken - een heilige graal van de natuurkunde. “Een van de onwaarschijnlijkere en controversiëlere quantum zwaartekrachttheorieën voorspelde dat we een sterk Casimir-achtig effect zouden moeten zien, als gevolg van zwaartekrachtvelden die van de supergeleiders zouden afkaatsen”, aldus Richard Norte, de eerste auteur van het artikel. “Deze theorie hebben we al kunnen ontkrachten, want met de huidige gevoeligheid van onze sensor hebben we een dergelijk effect niet kunnen meten.” Als er dus al een ‘Casimir-zwaartekracheffect’ is, dan is het subtieler dan deze theorie voorspelde.

De nieuwe microchip van de Delftse onderzoekers maakt de weg vrij voor verdere experimenten binnen het nog onbekende terrein van de wetenschap waar de twee beroemde quantumeffecten elkaar ontmoeten. De onderzoekers hopen in de nabije toekomst de gevoeligheid van hun microchipsensoren verder te kunnen verhogen, om mogelijk het Casimir-effect tussen hogetemperatuursupergeleiders te onderzoeken. Hoe supergeleiding precies werkt in dit soort exotische materialen is een openstaande vraag, en Casimir-experimenten zouden kunnen helpen bij het ontdekken van de onderliggende natuurkunde.

****

Referentie
Richard A. Norte, Moritz Forsch, Andreas Wallucks, Igor Marinković, and Simon Gröblacher, Platform for measurements of the Casimir force between two superconductors, Phys. Rev. Lett. 121, 030405 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.030405

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.030405

Meer informatie
Neem voor meer informatie contact op met:

Prof. Simon Gröblacher en Dr. Richard Norte
Afdeling Quantum Nanoscience
Kavli Institute of Nanoscience
TU Delft
Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft, Nederland
T +31 15 278 6124
s.groeblacher@tudelft.nl en r.a.norte@tudelft.nl

Beeld 1
Artist’s impression van twee draden bedekt met een supergeleidend materiaal, met de Casimir-krachten die ze samenduwen.  In het midden van de draden bevinden zich gaatjes die een optische resonator vormen. Deze resonator houdt een optisch veld gevangen dat wordt gebruikt om de kracht zeer nauwkeurig te meten, bij elke temperatuur.

Credits: Moritz Forsch, Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology

/* */