Vier spiegels van het natuurkunde-experiment LIGO, dat zoekt naar zwaartekrachtgolven, zijn afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt. De spiegels zijn de grootste objecten die ooit zo dicht bij deze ijskoude toestand zijn gebracht.
Natuurkundige Chris Whittle van MIT en zijn collega’s hebben het systeem, dat een effectieve massa van 10 kilogram heeft, afgekoeld van kamertemperatuur tot 77 nanokelvin. Deze koude quantumtoestand was tot nu toe alleen gelukt met objecten van een fractie van een gram. Het is dus een enorme stap vooruit wat betreft de hoeveelheid massa die nabij het absolute nulpunt is gebracht.
Het systeem bestaat uit vier spiegels die elk 40 kilogram wegen. Samen trillen ze alsof ze één enkel voorwerp van 10 kilogram zijn. Het LIGO-experiment gebruikt deze spiegels om zwaartekrachtsgolven te detecteren.
Schommel
Op quantumschaal zijn temperatuur en beweging één en hetzelfde: hoe meer een deeltje trilt, hoe heter het is. Deze trillingspakketjes, fononen genoemd, moeten worden verwijderd om een voorwerp in zijn grondtoestand te brengen.
Het team deed dit door gebruik te maken van de terugkoppelingssystemen van LIGO. Daarbij schijnt een lichtbundel op een spiegel om de trilling ervan te meten. Vervolgens paste het team een elektromagnetisch veld toe om die beweging te vertragen. ‘Het is een beetje als een kind dat op een schommel zit: je duwt tegen zijn beweging in om hem tot stilstand te brengen’, zegt Whittle.
Omdat de trillingen die de onderzoekers wilden verwijderen zo klein waren, moesten ze die uiterst nauwkeurig meten om het juiste duwtje te kunnen geven. Dat is een van de redenen dat ze het buitengewoon nauwkeurige systeem van LIGO gebruikten. Door dit terugkoppelingssysteem in te zetten, hebben zij het gemiddelde aantal fononen in het systeem op een bepaald moment teruggebracht van ongeveer 10 biljoen tot iets minder dan 11.
Hoger doel
Het doel van dit werk is te helpen verklaren waarom we grote objecten over het algemeen niet in quantumtoestanden zien. Volgens sommige natuurkundigen is dat te wijten aan de effecten van de zwaartekracht.
‘Als je dat wilt testen, heb je twee dingen nodig: je moet zorgen voor een object dat groot genoeg is om het effect van de zwaartekracht erop te kunnen meten, en je moet dit object in een quantumtoestand realiseren’, zegt natuurkundige Vivishek Sudhir, een lid van het onderzoeksteam. Door dit soort quantumtoestanden te gebruiken, kunnen wetenschappelijke instrumenten zoals LIGO misschien ook een hogere precisie bereiken, maar dat ligt nog ver in de toekomst, zegt hij.
