Onderzoekers van onder meer de Amerikaanse universiteit Caltech, de Université Paris-Saclay en de Technische Universiteit München zijn er voor het eerst in geslaagd om de specifieke energieniveaus in synthetische kwantummaterie rechtstreeks te meten. Met behulp van een geavanceerde kwantumsimulator brachten de wetenschappers patronen in kaart die al veertig jaar geleden theoretisch werden voorspeld door de zogeheten conforme veldentheorie. De resultaten, die zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature, tonen aan dat verschillende kwantumsystemen op een kritiek kantelpunt exact hetzelfde wiskundige gedrag vertonen, ongeacht hun microscopische samenstelling.
- Onderzoekers hebben de energieniveaus van de conforme veldentheorie voor het eerst experimenteel gemeten.
- De proef maakte gebruik van een keten van maximaal 35 strontiumatomen die met laserlicht gevangen werden gehouden.
- De gebruikte meettechniek maakt het mogelijk om in de toekomst kwantumsystemen te onderzoeken die voor supercomputers te complex zijn.
Laserlicht en strontiumatomen leggen kwantumstructuur bloot
Om het fenomeen waar te nemen, maakten de onderzoekers gebruik van een kwantumsimulator: een gespecialiseerde kwantumsysteem dat ontworpen is om specifieke natuurkundige processen na te bootsen. Met behulp van ‘optische pincetten’ — fijne laserstralen die afzonderlijke atomen kunnen vasthouden — plaatsten de wetenschappers strontiumatomen op een rechte lijn. Door extra lasers in te zetten werden de atomen in zogeheten Rydberg-toestanden gebracht. In deze toestand treden sterke wisselwerkingen op tussen naburige atomen, waardoor de gehele keten zich als één enkel kwantumsysteem gaat gedragen.
Door de instellingen van de lasers precies af te stemmen, werd de keten van atomen exact op een kwantumatisch kantelpunt gebracht. Dit proces vindt plaats bij temperaturen nabij het absolute nulpunt en wordt uitsluitend gedreven door kwantumeffecten zoals verstrengeling en superpositie. Om vervolgens de energieniveaus van het systeem af te lezen, ontwikkelde het team een nieuwe methode genaamd many-body modulation spectroscopy. Hierbij werd de atoomketen licht geschud door de laserfrequentie te variëren. Wanneer de frequentie overeenkwam met een natuurlijk energieniveau van het systeem, ontstond er een duidelijke respons.
Met behulp van lasertechnologie brachten de onderzoekers een keten van maximaal 35 strontiumatomen exact op een kwantumatisch kantelpunt, waarna de energieniveaus als de sporten van een ladder zichtbaar werden.
Experimentele bevestiging sluit een gat van veertig jaar
In de natuurkunde staat het verschijnsel waarbij heel verschillende materialen op een kantelpunt hetzelfde gedrag vertonen bekend als ‘universaliteit’. Bekende alledaagse voorbeelden van faseovergangen zijn kokend water of een magneet die bij verhitting zijn magnetisme verliest. Op het niveau van de kwantummechanica wordt dit universele gedrag beschreven door de conforme veldentheorie. Deze theorie bouwt onder meer voort op het werk van natuurkundige Ernst Ising, die in de jaren twintig van de vorige eeuw een vroeg model voor magnetisme opstelde.
Hoewel theoretici al vier decennia lang de verhoudingen tussen de energieniveaus binnen deze theorieën konden berekenen, was het tot nu toe nooit gelukt om ze in een laboratoriumexperiment te meten. De metingen aan de strontiumketen kwamen exact overeen met de voorspellingen uit de Ising- theorieën. Doordat de onderzoekers elk atoom individueel konden aansturen, konden ze bovendien de configuratie van de uiteinden van de keten aanpassen en zo meerdere theoretische patronen bevestigen.
Hoewel de theoretische formules al veertig jaar bestonden, ontbrak het wetenschappers tot nu toe aan de instrumenten om deze energieladders daadwerkelijk te observeren.
Uitbreiding naar twee dimensies opent onverkend terrein
Deze doorbraak betekent dat natuurkundigen nu beschikken over een fysiek platform om ingewikkelde theorieën te testen die voorheen alleen op papier bestonden. Dit biedt een belangrijk hulpmiddel voor het ontrafelen van de fundamentele wetten die materie op het allerkleinste niveau besturen.
In vervolgonderzoek wil het team de stap maken van een enkele lijn atomen naar een tweedimensionaal raster van atomen. In twee dimensies zijn de theoretische voorspellingen van de conforme veldentheorie veel minder goed begrepen. De ontwikkelde meettechniek kan worden toegepast op kwantumsystemen waarvan niemand de exacte uitkomst vooraf weet — situaties die zo complex zijn dat zelfs de sterkste klassieke supercomputers ze niet kunnen berekenen.
Vindt u het fascinerend dat theoretische natuurkunde na veertig jaar eindelijk in de praktijk getoetst kan worden? Deel uw gedachten hieronder.
