Nieuw perspectief in de quantummechanica én betere nachtrust voor promovendi
Behalve de natuurkunde schiet ook de nachtrust van promovendi iets op met het promotieonderzoek van Vitaly Fedoseev. Hij promoveert 7 juli op zijn werk aan optomechanica binnen de quantummechanica. En op een ontwerp waardoor promovendi niet meer 72 uur lang elk uur op een knop hoeven te drukken.
In het werkveld van Vitaly Fedoseev besteed je gewoonlijk 95 procent van je tijd aan het uitzoeken waarom dingen niet werken zoals verwacht en aan het verzachten van ongewenste effecten van trillingen, vertelt hij. ‘Ik heb de meeste tijd besteed aan het ontwerpen, bouwen en debuggen van onze opstelling. Als alle onderdelen van de opstelling werkten, waren we aan het meten. Waarschijnlijk 5 procent van de tijd.’
Trillende voorwerpen manipuleren
Fedoseev werkte aan optomechanica, een vrij nieuw onderzoeksgebied in de natuurkunde. Het lijkt veelbelovend voor telecommunicatie en mogelijk quantumcomputing en internet. Binnen de optomechanica manipuleren onderzoekers voorwerpen die trillen of bewegen om een vast punt (oscilleren) met licht. Fedoseev: ‘Denk aan een spiegel die aan een veer is bevestigd. Met laserlicht kun je meten hoe de spiegel beweegt, en ook de beweging ervan beïnvloeden. Het licht tussen de twee spiegels creëert een soort brug waardoor de beweging wordt overgebracht.’
De techniek waaraan Fedoseev werkte, de STIRAP-techniek, werd zo’n dertig jaar geleden ontwikkeld om quantumtoestanden van atomen en moleculen te manipuleren. Fedoseev paste hem voor het eerst toe in de optomechanica, en met succes. Fedoseev: ‘Wij hebben aangetoond dat STIRAP ook in de optomechanica energie overdraagt tussen twee oscillatoren.’
Heel koude spiegels
Voor echte toepassingen zou de optomechanische STIRAP moeten plaatsvinden in het quantumregime, waarbij de spiegels zo koud zijn dat hun beweging wordt beheerst door de natuurwetten van de quantummechanica. Fedoseev zette een spectaculaire stap in die richting. ‘We hebben een heel bijzonder optisch systeem ontworpen en gebouwd, dat werkt als je het extreem afkoelt.’
Een bed op het lab
Als je een optisch systeem bouwt, uitlijnt en dan afkoelt, raakt het systeem meestal uit lijn doordat materialen krimpen met het afkoelen. Daarvoor bestond voorheen een oplossing die promovendi hun nachtrust kostte. Fedoseev: ‘Toen ik bij de onderzoeksgroep kwam, had de opstelling zeven motoren om hem tijdens het afkoelen uitgelijnd te houden. Het proces van afkoelen duurde ongeveer 72 uur en iemand moest die motoren eenmaal per uur laten draaien. Twee promovendi zetten een bed op in het lab om dag en nacht op de knoppen te kunnen blijven drukken... Ik vroeg toen of we een betere opstelling konden bouwen.’
Opstelling die bij -273 graden ideaal is uitgelijnd
Fedoseev ging aan de slag, samen met de Fijnmechanische dienst, ‘met speciale dank aan Harmen van der Meer.’ Ze ontwierpen en bouwden een systeem dat bij kamertemperatuur zo is opgezet dat het bij afkoeling tot -273 graden Celsius bijna ideaal is uitgelijnd.
Het mooiste moment van Fedoseevs promotieonderzoek: ‘Een cooldown waarbij we zagen hoe de optiek steeds beter uitgelijnd raakte naarmate het systeem afkoelde. Niemand geloofde dat het mogelijk was.’ Daardoor is het nu mogelijk om een kwantumsysteem efficiënt en zonder gebroken nachten te manipuleren met de STIRAP-techniek in een optisch systeem. ‘Dat zal duidelijk maken of kwantummechanica ook werkt voor macroscopische objecten en niet alleen voor elementaire deeltjes.’ Stel dat dat zo is, dan komen toepassingen op macroscopisch gebied dichterbij. Bijvoorbeeld op het gebied van geheugen voor quantumcomputers.
Nieuwe baan bij Nobelprijswinnaar Wolfgang Ketterle
Hoe kijkt Fedoseev terug op zijn onderzoek? ‘Ik vond het erg leuk: ik bouw graag dingen met mijn handen. Het ontwerpen en bouwen van mechanische en elektronische systemen, inclusief het programmeren van microprocessoren, was een geweldige ervaring. Nu kan ik met overtuiging zeggen dat ik een natuurkundige ben.’ Dat vonden ze ook bij het MIT, het Massachusetts Institute of Technology, een van de meest prestigieuze technische universiteiten ter wereld. Daar gaat Fedoseev onder leiding van Nobelprijswinnaar Wolfgang Ketterle aan de slag bij een onderzoeksgroep die koude atomen onderzoekt.
Tekst: Rianne Lindhout