Onderzoekers vangen gesprek tussen twee atomen op

Nieuws - 28 mei 2021 - Communication TNW

Hoe materialen zich gedragen hangt af van de wisselwerking van talloze atomen. Je zou dit kunnen zien als een gigantisch groepsgesprek waarbij de atomen voortdurend quantuminformatie uitwisselen. Onderzoekers van de TU Delft, in samenwerking met de RWTH Aachen Universiteit en het Research Center Jülich, zijn er nu in geslaagd een gesprek tussen twee atomen te onderscheppen. Op 28 mei presenteren zij hun bevindingen in Science.

Echt praten doen atomen natuurlijk niet, maar ze kunnen elkaar wel voelen. Dit is met name het geval bij magnetische atomen. “Ieder atoom bezit een klein magnetisch moment: spin. Deze spins beïnvloeden elkaar, net als kleine kompasnaalden die elkaar voelen als je ze dicht bij elkaar brengt. Geef je er nu één een zetje, dan gaan ze samen op een heel specifieke manier bewegen,” legt onderzoeksleider Sander Otte uit. “Maar volgens de wetten van de quantummechanica kan iedere spin tegelijkertijd in verschillende richtingen wijzen; de spin vormt dan een superpositie. Dat betekent dat er feitelijk sprake is van overdracht van quantuminformatie tussen de atomen; een soort van gesprek.”

Scherpe naald

Dit soort informatieoverdracht kan op grote schaal leiden tot fascinerende verschijnselen. Een schoolvoorbeeld is supergeleiding: het effect dat sommige materialen beneden een kritische temperatuur hun elektrische weerstand volledig kwijtraken. Hoewel dit effect een goede verklaring heeft voor de meest eenvoudige gevallen, weet niemand precies hoe het tot stand komt in veel complexe materialen. Maar dat het te maken heeft met magnetische quantumwisselwerking staat vast. Het is met het oog op het verklaren van dit soort verschijnselen dat onderzoekers er veel aan gelegen is om die wisselwerking te onderscheppen; de gesprekken tussen atomen af te luisteren.

In het team van Otte pakken ze dit heel voortvarend aan: ze zetten letterlijk twee atomen naast elkaar en kijken wat er gebeurt. Dit doen ze met een zogeheten tunnelmicroscoop, een apparaat waarin een scherpe naald atomen kan aftasten en één-voor-één kan rangschikken. Hiermee plaatsten ze twee titaniumatomen op een afstand van iets meer dan een nanometer – een miljoenste van een millimeter – van elkaar. Op die afstand kunnen de atomen elkaars spin nét voelen. Geef je nu één van de twee spins een zetje, dan begint het gesprek vanzelf.

Artist’s impression van het experiment, waarbij een stroompuls wordt toegediend aan een titatiumatoom. Hierdoor klapt de spin van het atoom plotsklaps om. Een naburig titatiumatoom (rechts) reageert hierop, maar kan de snelle beweging niet bijbenen. Hierdoor ontstaat een wisselwerking tussen de atomen waarbij quantuminformatie wordt uitgewisseld.

De nette manier om zo’n zetje te geven is door heel nauwkeurige radiosignalen naar de atomen te zenden. Deze zogeheten spinresonantie-techniek – die veel weg heeft van de werking van een MRI scanner – wordt met succes toegepast in onderzoek aan quantumbits. Ook bij het atomaire onderzoek van het Delftse team is deze techniek beschikbaar, maar het heeft een nadeel. “Het gaat gewoon te langzaam,” zegt promovendus Lukas Veldman, hoofdauteur op de Science-publicatie. “Je bent amper begonnen de ene spin om te draaien en de ander draait al mee. Zo kun je nooit onderzoeken wat er gebeurt nadat je de twee spins exact in tegengestelde richting zet.”

Onorthodox paardenmiddel

Dus probeerden de onderzoekers iets onorthodox: ze klapten de spin van één van de twee atomen razendsnel om met een korte stroompuls. Tot hun verrassing resulteerde dit paardenmiddel in een prachtige quantumwisselwerking, precies volgens het boekje. Tijdens de puls botsen elektronen tegen het atoom waardoor diens spin een flinke duw krijgt. “We gingen er altijd vanuit dat de delicate quantuminformatie – de zogeheten coherentie – hierbij verloren ging,” zegt Otte, die in 2019 van NWO een VICI beurs ontving voor dit onderzoek. “De elektronen die je erheen stuurt zijn immers incoherent: ieder elektron heeft net weer een iets andere voorgeschiedenis en die chaos draag je over op de spin van het atoom.”

Dat dit nu niet zo blijkt te zijn, zorgde voor nogal wat hoofdbrekens. Kennelijk kan ieder willekeurig elektron, zonder enige voorselectie, een coherente superpositie bewerkstelligen: een specifieke quantumcombinatie van basistoestanden waarvan alle details bekend zijn en die de basis vormt voor vrijwel elke vorm van quantumtechnologie.

Perfecte superpositie

“De crux zit ‘m in de vraag die je stelt”, beredeneert Markus Ternes, co-auteur van de RWTH Aachen Universiteit en het Research Center Jülich. “Het elektron draait de spin van het ene atoom om zodat deze, zeg, naar links wijst. Dit zou je kunnen zien als een meting waarbij alle informatie verloren gaat. Maar de toestand die je hebt gecreëerd, is voor het gecombineerde systeem juist helemaal niet vanzelfsprekend. Bezien vanuit de beide atomen samen is het een perfecte superpositie, waardoor overdracht van informatie mogelijk wordt. Cruciaal hierbij is dat de spins verstrengeld kunnen raken: een eigenaardige quantumtoestand waarin ze meer informatie delen dan mogelijk volgens de klassieke natuurkunde.”

De vinding kan gevolgen hebben voor onderzoek aan quantumbits. Wellicht kun je ook daar in sommige gevallen wegkomen met meer onvoorzichtigheid dan vooraf gedacht. Maar voor het team van Otte is het met name een opstap naar nog mooiere experimenten. Veldman: “Dit was voor twee atomen, maar wat gebeurt er met drie? Of tien, of duizend? Dat kan niemand voorspellen, want rekenkracht schiet bij dit soort aantallen tekort. Wie weet kunnen we straks allerlei quantumgesprekken opvangen die niemand ooit heeft kunnen horen."

Artikel

‘Free coherent evolution of a coupled atomic spin system initialized by electron scattering’, L.M. Veldman, L. Farinacci, R. Rejali, R. Broekhoven, J. Gobeil, D. Coffey, M. Ternes, A.F. Otte, Science

Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)