Nieuwe kwantumkoelingstechnologie opent de weg naar ultrakoude temperaturen

Alles staat stil, niets beweegt: het lijkt alsof de tijd heeft stilgestaan. Dit is ongeveer hoe je je een wereld bij -273,15 graden Celsius kunt voorstellen - een temperatuur die volgens de thermodynamica nooit bereikt kan worden. Toch wedijveren natuurkundigen om zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt te komen, omdat de kwantummechanische aard van deeltjesstelsels duidelijk naar voren komt in deze ultrakoude gebieden. Het huidige record is 38 picokelvin, oftewel slechts 38 biljoenste van een graad boven nul. Om dit te bereiken hebben experts eerder lasers en magnetische velden gebruikt om atomen af te remmen en zo af te koelen. Onderzoekers onder leiding van Ju Li van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hebben nu echter een compleet nieuwe koelmethode ontwikkeld die deeltjes in de toekomst nog verder zou kunnen koelen.

Zo melden ze in een artikel dat binnenkort wordt gepubliceerd in het tijdschrift "Physical Review Letters", zou een ongebruikelijke kwantummechanische eigenschap kunnen worden gebruikt om deeltjes sneller en sterker te koelen dan voorheen. Li en zijn team hebben zogenaamde niet-Hermitische systemen onderzocht, dat wil zeggen kwantumsystemen die niet gesloten zijn en daarom energie uitwisselen met hun omgeving. Omdat de energie in deze systemen niet behouden blijft, treden er verrassende verschijnselen op: Er ontstaan onder andere vreemde, ongelijke verdelingen van deeltjes.

Bij het niet-Hermitiaanse skin effect bijvoorbeeld is de kans om een deeltje te vinden aan het ene uiteinde van een staaf extreem hoog, terwijl de kans aan het andere uiteinde bijna nul is. Deskundigen besteden meestal de meeste aandacht aan de hoge piek, schrijven Li en zijn collega's in hun artikel, maar het potentieel van het andere "onderdrukte" uiteinde heeft tot nu toe weinig aandacht gekregen. Wat vooral interessant is, is dat dit skin effect niet alleen kan worden overgedragen op echte deeltjes zoals elektronen, maar ook op excitaties die zich slechts gedragen als deeltjes, zoals warmte-gemedieerde trillingen.

Het MIT-team heeft daarom berekend wat er gebeurt als het niet-Hermitiaanse skin effect wordt toegepast op zulke oscillaties: Volgens hen zou de warmte van het systeem zich ophopen aan het ene uiteinde van de staaf, terwijl het andere uiteinde snel zou afkoelen. Door deze methode toe te passen op systemen die al gekoeld worden - bijvoorbeeld door lasers - hopen de onderzoekers in de toekomst nog lagere temperaturen dicht bij het nulpunt te bereiken.

Het werk van Li's team is tot nu toe alleen theoretisch. Natuurkundige Uroš Delić van de Universiteit van Wenen, die bij het werk betrokken was, experimenteert echter al met niet-Hermitische systemen. Zoals hij uitlegt in een artikel in "New Scientist", probeert hij momenteel de nieuwe koelmethode in het laboratorium te implementeren.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen goed onderbouwde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.