Wetenschappers van de ETH Zürich en het Institute of Photonic Sciences in Barcelona hebben een belangrijke stap gezet in de kwantumfysica door de gecontroleerde kwantumverspreiding (delokalisatie) van een silicadeeltje in een optische val te demonstreren. Dit baanbrekende experiment, gepubliceerd in Physical Review Letters, opent nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en technologische toepassingen van de kwantummechanica.
Het onderzoeksteam overwon de gebruikelijke beperking van de nulpuntsbeweging, die de kwantumcoherentielengte van zwevende deeltjes beperkt en kwantuminterferentie bemoeilijkt. Door gebruik te maken van een gemoduleerd optisch pincetsysteem, konden ze de lichtval met microseconde-precisie aanpassen, wat resulteerde in een meer dan verdrievoudiging van de coherentielengte. De oorspronkelijke coherentielengte van ongeveer 21 picometer werd in gunstige gevallen verbeterd tot meer dan 70 picometer. Een grotere coherentielengte vergroot de kans op kwantuminterferentie, een essentieel kenmerk van kwantumgedrag.
Hoewel de resultaten op kleine schaal zijn, bewijzen ze dat gecontroleerde expansie mogelijk is zonder verlies van kwantumzuiverheid. Dit opent deuren naar het bestuderen van fenomenen die voorheen alleen in atomaire of moleculaire systemen werden waargenomen, en brengt de kwantummechanica dichter bij de macroscopische wereld. De techniek van optische manipulatie van nanodeeltjes, essentieel voor deze vooruitgang, maakt nauwkeurige controle over de beweging van deze deeltjes mogelijk.
De techniek heeft ook potentiële toepassingen voor de ontwikkeling van kwantumkrachtsensoren. Een zeer coherent nanodeeltje kan minuscule variaties in elektrische of zwaartekrachtvelden detecteren met een precisie die huidige technologieën kan overtreffen. Onderzoeksgroepen aan de ETH Zürich werken aan kwantum sensoren met als doel fysische grootheden met ongekende gevoeligheid te meten, wat deze toepassing in krachtsensoren veelbelovend maakt.
Verder opent dit onderzoek nieuwe wegen om de verbinding tussen kwantummechanica en zwaartekracht te onderzoeken, een nog grotendeels onontgonnen gebied. Theorieën suggereren dat twee verspreide kwantummassa's zwaartekrachtverstrengeling zouden kunnen genereren, en de methoden uit deze studie zijn een stap richting de praktische implementatie hiervan. Dit werk bouwt voort op eerdere inspanningen, zoals het QnanoMECA-project gefinancierd door de European Research Council, dat succesvol de mechanische energie van kwantum nanomechanische oscillatoren verminderde, waardoor ze dichter bij het kwantumregime van individuele fononen kwamen. Deze ontwikkelingen kunnen bijdragen aan een nieuwe generatie hoogwaardige mechanische sensoren voor navigatie en seismologie. De beheersing van kwantumverspreiding in zwevende nanodeeltjes vertegenwoordigt een belangrijke sprong in het begrijpen en toepassen van kwantummechanica op macroscopische schalen, en ontsluit nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en de ontwikkeling van geavanceerde kwantumtechnologieën.