Doorbraak in kwantumtechnologie: nieuwe laser zo precies dat hij zwaartekracht opnieuw kan meten

Wat als je een laser niet laat draaien op licht, maar op trillingen? Onderzoekers in de Verenigde Staten hebben nu een zogeheten fononlaser ontwikkeld die zo precies is, dat het belooft ons begrip van zwaartekracht en kwantummechanica enorm uit te breiden. En dat kan grote gevolgen hebben in de ‘echte’ wereld.

Sinds hun uitvinding in de jaren zestig zijn lasers niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Van barcodescanners tot oogchirurgie: overal sturen ze lichtdeeltjes, oftewel fotonen, met uiterste precisie aan. Nu zijn wetenschappers van de University of Rochester een stap verder gegaan. In plaats van licht richten ze zich op fononen: de kleinste eenheden van trillingen of geluid. Door die te controleren, ontstaan compleet nieuwe mogelijkheden, bijvoorbeeld in de mysterieuze wereld van de kwantummechanica, waar fenomenen als verstrengeling de regels bepalen.

Gecontroleerde trillingen

De onderzoekers ontwikkelden de squeezed phonon laser, een extreem geavanceerd fononenkanon. Het komt erop neer dat individuele trillingsdeeltjes zich als een laserbundel gedragen. Door die op nanoschaal te manipuleren, zijn onderzoekers in staat om natuurkrachten met ongekende precisie te meten.

Een mooi idee, maar er zit een kink in de kabel en die heet ruis. Zelfs de strakste laserbundel is in werkelijkheid niet perfect stabiel. Kleine fluctuaties zetten een streep door het maken van nauwkeurige metingen. Onderzoeker Nick Vamivakas legt uit: “Een laser lijkt misschien een constante straal, maar in werkelijkheid zit er veel fluctuatie in. Dat veroorzaakt ruis wanneer je ermee meet.” Het Rochester-team heeft daar nu een oplossing voor bedacht: door de fononlaser met licht precies op de juiste manier te ‘duwen en trekken’, is het gelukt om die fluctuaties sterk te verminderen. “We hebben de schommelingen van de fononlaser drastisch teruggebracht”, aldus Vamivakas.

Knijpen in kwantumruis

De techniek die ze gebruiken heet squeezing: het onderdrukken van thermische ruis die van nature in het systeem zit. En dat maakt een wereld van verschil. Met minder ruis kunnen wetenschappers versnellingen nauwkeuriger meten dan ooit tevoren, zelfs beter dan met traditionele lasers of radiogolven. Dat opent de deur naar experimenten die voorheen niet te doen waren.

De toepassingen zijn veelbelovend. Vamivakas ziet bijvoorbeeld kansen in extreem precieze zwaartekrachtmetingen. Een technologie die kan leiden tot nieuwe navigatietechnologieën. Denk aan een kwantumkompas: een systeem dat onafhankelijk van satellieten werkt en dus niet te storen is, in tegenstelling tot GPS. In een wereld waarin de geopolitieke spanningen oplopen en navigatie cruciaal is, van scheepvaart en burgerluchtvaart tot defensie, zou dat een gamechanger zijn. “We zijn benieuwd of deze fononlaser een stap kan zijn richting zulke systemen”, zegt Vamivakas.

Wat zijn fononen?
Fononen zijn de onzichtbare trillingen die vaste stoffen tot leven brengen. In de natuurkunde beschrijven ze hoe atomen in een kristalrooster bewegen en energie doorgeven. Je kunt ze zien als pakketjes van geluid of warmte, vergelijkbaar met hoe licht bestaat uit fotonen.
Wanneer atomen in een materiaal trillen, bijvoorbeeld door warmte, ontstaat er een golf die zich door het rooster voortplant. Die golf wordt in de kwantummechanica behandeld als een deeltje: het fonon. Dankzij deze benadering kunnen wetenschappers precies berekenen hoe warmte zich door materialen verspreidt.
Fononen spelen een sleutelrol in alledaagse verschijnselen. Ze bepalen hoe goed een materiaal warmte geleidt, waarom metalen koud aanvoelen en zelfs hoe efficiënt elektronische apparaten werken. In geavanceerd onderzoek worden fononen ingezet om nieuwe materialen te ontwikkelen, zoals supergeleiders en thermische isolatoren.