Onderzoekers bij de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en het Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (bij München) hebben een microscoopsysteem ontwikkeld waarin elektromagnetische trillingen (hier licht) worden omgevormd in mechanische trillingen en omgekeerd. De wisselwerking tussen licht en mechanica is daarbij in principe sterk genoeg om ook exotische kwantumtoestanden van het licht op de mechanische oscillator te kunnen overdragen.
Sinds het begin van de twintigste eeuw is bekend, dat de bekende natuurkundige wetten uiteindelijk gebaseerd zijn op de kwantumtheorie, die ook een aantal vreemde fenomenen voorspelt: een object kan bijvoorbeeld gelijktijdig op twee plaatsen zijn. Bovendien is er altijd een kleine vorm van beweging, zelfs bij het absolute nulpunt. Dit wordt ook aangeduid als kwantumgrondtoestand.
In het dagelijks leven zijn deze kwantummechanische effecten normaal gesproken niet merkbaar. Ze kunnen alleen worden waargenomen in goed geïsoleerde systemen, waarvan de koppeling met de omgeving uiterst zwak is. Omdat bij grotere objecten contact met de omgeving niet is te vermijden, treden de kwantumeffecten niet meer naar buiten door een fenomeen dat wordt aangeduid als decoherentie. Tot voor kort konden wetenschappers kwantumeffecten daarom alleen waarnemen bij extreem kleine systemen zoals bij aparte moleculen of atomen.
Met het blote oog
Een onderzoeksgroep van genoemde onderzoeksinstituten heeft nu aangetoond, dat zelfs de bewegingstoestand van objecten die met het blote oog te zien zijn, met behulp van licht in een zo korte tijd kunnen worden gecontroleerd, dat ze door decoherentieprocessen niet worden veranderd. Zo kunnen in de toekomst exotische kwantumtoestanden in de beweging van dergelijke mechanische objecten werkelijkheid worden.
Het onderzochte object is een op een microscoop vervaardigde glazen ring met een doorsnee van 30 µm (ongeveer de helft van de doorsnede van een haar). Zoals een wijnglas klinkt tijdens het toasten (het zendt geluidsgolven uit) heeft ook deze glazen ring duidelijk gedefinieerde oscillaties. Tegelijkertijd dient de ring ook als een soort racebaan voor licht, dat steeds weer rondgaat in de ring. Bij elke bocht geeft het licht een kleine impuls op de glasoppervlakte, wat men ook aanduidt als stralingsdruk.
Hoe gering het effect per omloop ook is, het levert bij het optellen toch een waarneembare grootte op, omdat het licht tot 1 miljoen keer circuleert. De resulterende kracht kan de ring in beweging brengen, maar ook de eigen trillingen dempen.
1 K
Voor het bereiken van het kwantumregime zijn extreem lage temperaturen essentieel, omdat de kwantumeffecten anders door thermische fluctuaties worden overschaduwd. Daarom wordt de microtorus in een cryostaat geplaatst, die de structuur afkoelt tot minder dan 1 K. Gekoppeld aan het licht kan de beweging door middel van de stralingsdruk nog eens met een factor 100 verminderen, zodat de glazen ring zich het grootste deel van de tijd in de kwantumgrondtoestand bevindt.
Nog belangrijker is, dat de wisselwerking tussen licht en mechanische oscillatortrilling zo sterk kan worden, dat beide een onafscheidelijke verbinding aangaan. Een kleine aanzet in de vorm van een lichtpuls kan dan volledig worden omgezet in een kleine trilling en omgekeerd. De onderzoeksgroep is er in geslaagd om deze omzetting van licht in een beweging in een zo korte tijd te laten plaatsvinden, dat de kwantumeigenschappen van de oorspronkelijke lichtpulsen niet verloren gaan door decoherentie.
De onderzoekers tonen op deze manier de mogelijkheid om de kwantumeigenschappen van een mechanische oscillatorbeweging te sturen en de vreemde kwantummechanische eigenschappen ook waar te nemen bij door mensen vervaardigde objecten. Bovendien zouden de mechanische oscillatoren als interface kunnen dienen om kwantumsystemen van verschillende aard met behulp van door glasvezel geleid licht te koppelen.
