Afluisteren hoe spinnende atomen overleggen

Gieljan de Vries

2021-05-30 16:00:00

atomen quantumverstrengeling

Delftse natuurkundigen spieken hoe een koppel atomen met elkaar danst tijdens quantumverstrengeling. Dat moet verklaren hoe grootschalige materiaaleigenschappen ontstaan uit het gedrag van atomen.

Hoe ontstaan eigenschappen zoals magnetisatie of supergeleiding uit het gedrag van de individuele atomen in een materiaal? Zulk collectief gedrag van triljarden atomen laat zich niet voorspellen vanuit de quantumtheorie van losse deeltjes – rekenkundig is dat onbegonnen werk. Hoogleraar atomair magnetisme Sander Otte aan de TU Delft bouwt daarom in zijn lab aan een quantumsimulator waarin hij steeds meer atomen samenbrengt en kijkt hoe collectief gedrag ontstaat.

Met hun aanpak van telkens grotere menigtes van atomen hopen Otte en zijn team te leren hoe grootschalige materiaaleigenschappen ontstaan uit individuele atomen. In  wetenschapsblad Science presenteert Otte’s promovendus Lukas Veldman het eerste resultaat: hij luisterde af hoe twee innig verstrengelde titaniumatomen informatie met elkaar uitwisselden.

Lees ook:

Quantumverstrengeling

Natuurkundigen hebben zo hun favoriete aanpak om een onbekend verschijnsel te onderzoeken: geef het een zet en kijk hoe het reageert. In Otte’s lab begint dat met twee titaniumatomen op een miljardste meter van elkaar, elk met een minuscuul magneetveld doordat ze om hun eigen as draaien. Dat noem je een spin in vaktermen, en die veroorzaakt een klein magneetveld rond het atoom. Om te beginnen lagen de atomen netjes met hun magneetveld in dezelfde richting, maar daar brachten de onderzoekers snel verandering in.

Otte: “In ons lab gaven we een van de titaniumatomen een stroomstootje met de punt van onze scanning tunneling microscoop.” Dat was genoeg om het atoom om te laten klappen: de draairichting of spin veranderde. In plaats van twee noordpolen naar boven – noord-noord – stond er nu één zuidpool omhoog. “Maar in de quantummechanica van twee atomen die elkaars invloed voelen is zuid-noord geen stabiele toestand”, legt Otte uit. “Toen we een fractie van een seconde later nog eens keken, hadden de atomen dan ook hun spin uitgewisseld.”

“In de praktijk heb je dan niks meer aan de wetten van de quantummechanica”

Noord-zuid, zuid-noord…elke vijftien nanoseconde (miljardste seconde) wisselden de twee atomen van spinrichting. Zulke timing is een teken van verstrengeling, waarbij quantumdeeltjes zoveel invloed op elkaar hebben dat ze elkaars gedrag perfect aanvoelen. En dat is interessant, vooral omdat de tere band tussen de atomen de ruwe stroomstoot had overleefd. Toch waren de dansende atoomspins ook weer geen schokkende ontdekking; vanuit de quantumtheorie was het gedrag van twee elkaar beïnvloedende atomen nog prima te voorspellen. “Maar die wisselwerking wordt al heel snel interessanter als je meer atomen toevoegt zodat er meer interacties komen”, zegt Otte.

Rekenlimiet

Quantumtheorie is een verhaal van kansrekening, en al die verschillende mogelijkheden moet je in de gaten houden. “Voor een paar spins kun je alle elkaar beïnvloedende mogelijkheden nog wel berekenen, maar vanaf vijftig à honderd atomen houdt geen supercomputer het rekenwerk bij. In de praktijk heb je dan niks meer aan de wetten van de quantummechanica.”

“Het is dus in dat regime dat het echt interessant wordt”, vertelt Otte verlekkerd. “Vanaf zo’n honderd spinnende atomen worden als het ware de grootschalige materiaaleigenschappen geboren.” Een paar gram van een echt magnetisch materiaal bevat wel triljarden spins die op elkaar reageren: onberekenbaar! “De enige manier om die te verklaren vanuit de regels van de quantummechanica is door materialen letterlijk atoom voor atoom zelf te bouwen. Dat is waar we naartoe willen.”

Voorlopig staat Otte’s quantumsimulator op twee atomen, en wordt het nog een klus om op te schalen naar de gewenste honderd. Maar écht vanuit de losse atomen verklaren hoe die samenwerken als magneet, dat is pakkend werk dat tot allerlei nieuwe materialen kan leiden. Wordt vervolgd.

Bronnen: Science, EurekAlert

Beeld: TU Delft/Scixel

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

KIJK editie 11 - 2021
Nieuwste editie

Met onder andere: Worden robots ooit autonoom? - Bijdehante beestjes - Tech-toys