Wetenschappers brengen duizenden atomen tegelijk in onmogelijke quantumtoestand
De kleinste deeltjes gedragen zich al tientallen jaren op manieren die ons verstand tarten. Maar wat gebeurt er als we niet naar individuele elektronen of atomen kijken, maar naar clusters van tienduizenden metaalatomen? Uit een Weens laboratorium komt nu een verbluffend antwoord: ook deze macroscopische structuren kunnen in een quantumsuperponering verkeren, alsof ze tegelijkertijd op meerdere locaties bestaan.
Een onderzoeksteam is erin geslaagd om natriumnanodeeltjes, opgebouwd uit maximaal 10.000 atomen, in een zogenaamde “Schrödinger’s kat”-toestand te brengen. In deze merkwaardige toestand heeft elk deeltje geen vaste locatie meer, maar gedraagt het zich alsof het op verschillende plaatsen tegelijk aanwezig is.
De grens tussen quantumwereld en alledaagse werkelijkheid verdwijnt
Deze ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, markeert een cruciaal moment in ons begrip van waar de quantumlogica ophoudt en de klassieke wereld begint. Wetenschappers van de Universiteit van Wenen en de Universiteit Duisburg-Essen hebben een recordhoogte aan macroscopiciteit bereikt die fundamentele vragen oproept over de werkelijkheid zelf.
Tot nu toe werden quantuminterferentie-experimenten uitgevoerd met atomen, eenvoudige moleculen of lichte biologische structuren. Deze keer waren de hoofdrolspelers metalen nanodeeltjes met een massa van meer dan 170.000 dalton. Dat is zwaarder dan vele complexe eiwitten.
Hoe maak je een deeltje dat overal en nergens is?
De onderzoekers gebruikten een geavanceerde techniek genaamd materiegolf-interferometrie. De clusters worden eerst afgekoeld, uitgelijnd en vervolgens door drie roosters gestuurd die met ultraviolette lasers zijn gemaakt. Het resultaat? Een interferentiepatroon dat eruitziet als golfafdrukken, die alleen verklaard kunnen worden als de deeltjes zich als quantumgolven gedragen.
De sleutel tot het experiment ligt niet alleen in de omvang van de deeltjes, maar ook in de afstand die ze afleggen zonder gemeten te worden. Gedurende deze route is hun positie niet vastgelegd. Deze delokalisatie overtreft, volgens het team, met “meer dan een grootteorde” de afmetingen van het deeltje zelf.
De beroemdste kat uit de natuurkunde keert terug
De term “Schrödinger’s kat-toestand” is meer dan een culturele referentie. In de fysica wordt dit gebruikt om situaties te beschrijven waarin een systeem zich tegelijkertijd in twee onderling onverenigbare toestanden kan bevinden. In dit geval waren de natriumclusters letterlijk “hier én daar” in ruimtelijke zin.
Een directe quote uit het wetenschappelijke artikel verduidelijkt: “Deze quantumtoestand is analoog aan Schrödinger’s kat: een macroscopisch object dat de intuïtie tart omdat het een superpositie van klassiek verschillende trajecten vertegenwoordigt.”
Het meest verbazingwekkende is dat deze quantumtoestanden tijdens het experiment niet instortten. De interferentie bleef zichtbaar, wat de geldigheid van het quantummodel bevestigt, zelfs voor grote objecten. Met andere woorden: de quantumwereld beperkt zich niet tot elektronen of kleine moleculen. Ze strekt zich veel verder uit.
Een ongekend experimentele opstelling onthult het onmogelijke
Om dit resultaat te bereiken, ontwikkelde het team een experimenteel platform genaamd MUSCLE. Hierin worden natriumclusters gegenereerd in een aggregatiekamer en afgekoeld tot 77 kelvin.
Vervolgens worden ze door een Talbot-Lau-interferometerconfiguratie geleid, die gebruikmaakt van drie optische roosters gevormd door ultraviolette stralen. Elk rooster heeft een specifieke functie: het eerste bereidt de coherentie voor, het tweede werkt als faserooster, en het derde maakt het mogelijk het resulterende patroon vast te leggen.
De gebruikte technologie maakt nauwkeurige controle van de quantumtrajecten van deeltjes mogelijk en meet afwijkingen met buitengewone gevoeligheid. Het verkregen signaal was kristalhelder: een bandenpatroon dat alleen ontstaat wanneer deeltjes zich als golven gedragen, en dat onverklaarbaar blijft met klassieke trajecten.
Recordcijfers die theorieën op de proef stellen
De zichtbaarheid van het patroon bereikte tot 10% bij clusters met gemiddelde massa en tot 66% bij massievere deeltjes. In het artikel staat: “We observeren interferentie van breed gedelokaliseerde massieve deeltjes, wat bewijst dat standaard quantummechanica geldig blijft op deze schaal.”
Een van de meest opvallende bijdragen van dit onderzoek is de bereikte waarde van de quantummacroscopiciteitsindex. Deze indicator werd recent geïntroduceerd om te kwantificeren hoe “groot” of “klassiek” een systeem in een quantumtoestand is. Hoe hoger de waarde, des te beter het experiment alternatieve theorieën kan weerleggen die beweren dat quantumfysica niet op grote schaal werkt.
In dit geval bereikte het experiment een waarde van μ = 15,5, wat het vorige record met een volledige grootteorde overtreft. Volgens de auteurs zou je, om hetzelfde bewijs met elektronen te leveren, hun superpositie honderd miljoen jaar moeten handhaven. Voor deze clusters was slechts een honderdste seconde nodig.
Wat betekent dit voor de toekomst van quantumfysica?
Dit betekent dat de Schrödinger-vergelijking niet aangepast hoeft te worden om de waarnemingen te verklaren, wat het vertrouwen in het quantummodel versterkt, zelfs aan de grens tussen de microscopische en macroscopische werelden.
Het experiment toont niet alleen aan dat quantumwetten van toepassing zijn op grotere objecten dan eerder gedacht. Het opent ook deuren naar nieuw onderzoek met nog complexere materialen, waaronder biomoleculen en kleine virussen.
Praktische toepassingen die verder reiken dan theorie
Bovendien heeft de gebruikte interferometer een praktische toepassing: hij fungeert als een extreem gevoelige krachtsensor die interacties in het bereik van 10-26 newton kan detecteren. Dit zou kunnen worden gebruikt om elektrische, magnetische of optische eigenschappen van geïsoleerde nanodeeltjes te meten, als aanvulling op bestaande nanotechnologietechnieken.
Het team hoopt dat ze met verdere verfijning van de techniek de gevoeligheid van het experiment meerdere malen kunnen verhogen. Ze zijn ook van plan het type geanalyseerde deeltjes uit te breiden om andere materiaalklassen op te nemen.
Deze doorbraak daagt niet alleen de theoretische grenzen van de natuurkunde uit, maar kan ook concrete technologische consequenties hebben in de komende jaren. De quantumwereld blijkt veel groter te zijn dan we ooit voor mogelijk hielden.
