Onderzoeksteam van de TU Kaiserslautern ontrafelt mechanismen van de atomaire energietransport in de kwantumwereld

Ultrakoude atoomwolk van rubidiumatomen, die in dit experiment worden gebruikt: te zien is de fluorescentie die ontstaat tijdens de laserversterking. (Foto: AG Ott/TUK)

Het transport van energie tussen atomen en moleculen vormt de basis van alle leven. Het is gebaseerd op onderlinge atomaire krachten, de zogenaamde dipool-dipool interactie. De onderzoeksgroep van Prof. Dr. Herwig Ott aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) is erin geslaagd om zo'n transportmechanisme na te bootsen in een wanordelijk systeem. Daartoe hebben de onderzoekers de kwantummechanische interactie tussen verschillende Rydberg-atomen experimenteel waargenomen. Zo konden ze de invloed van wanorde op de verdeling en mobiliteit van de excitatie-energie tussen de atomen begrijpen. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad "Nature Communications".

Hoe het energietransport tussen atomen en moleculen plaatsvindt, wordt bijvoorbeeld verduidelijkt door fotosynthese: Wanneer licht op een cel valt, wordt de energie eerst door een molecuul geabsorbeerd en vervolgens verdergetransporteerd tussen vele andere, wanordelijke moleculen. Wanneer dit energiepakket uiteindelijk bij het zogenaamde reactiekern aankomt, wordt het permanent opgeslagen in de vorm van een chemische omzetting.

Om dergelijke transportmechanismen beter te begrijpen, heeft het onderzoeksteam een bijzondere experimentele aanpak gekozen en is het het kwantumregime binnengetreden: "Daarmee hebben we verschillende technologische uitdagingen overwonnen," legt Carsten Lippe uit, de eerste auteur van de studie. "Dit wordt al duidelijk door de noodzakelijke randvoorwaarden: Bij een omgevingsdruk die ongeveer 1000 keer lager is dan in de ruimte rondom de ISS, en bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, worden enkele atomen door bestraling met lasers aangeslagen en in een zogenaamde Rydberg-toestand gebracht. In deze toestand, waarbij een elektron naar een ver afgelegen baan rond de atoomkern wordt gebracht, is het atoom ongeveer 10.000 keer groter dan in de normale toestand."

Door deze enorme omvang wordt een atoom in de Rydberg-toestand zeer gevoelig voor andere dergelijke atomen en maakt het experimenten met interacties tussen atomen mogelijk, die anders op veel kleinere lengteschalen zouden plaatsvinden.

In het kader van hun experiment hebben de onderzoekers nu met behulp van verschillende lasersystemen achtereenvolgens twee verschillende soorten Rydberg-atomen gegenereerd en het energietransport tussen hen onderzocht. Daarbij stuitten ze op kwantumfysische effecten die onze alledaagse voorstelling tegenspreken. "Klassiek kan men zo'n transportproces voorstellen als een sprongproces. De energie of excitatie springt dus tussen de moleculen heen en weer. In de kwantumfysica is dat anders vanwege het zogenaamde superpositieprincipe: De excitatie kan bijvoorbeeld ook gelijktijdig op meerdere moleculen springen en zo veel efficiënter getransporteerd worden in het systeem. Men spreekt dan van coherente transport," zegt Ott.

De onderzoekers konden aantonen dat het aandeel van klassiek springen en coherente transport in het experiment gecontroleerd kan worden. Dit gebeurt door kleine wijzigingen in de golflengte van de gebruikte excitatielaser. "Normaal gesproken zijn kwantumfysische effecten fragiel en verdwijnen ze zodra er verstoringen optreden, zoals die bijvoorbeeld in het huidige systeem door de atomare wanorde in het gas aanwezig zijn," zegt Thomas Niederprüm, die samen met Ott het werk heeft geleid. "Dat deze effecten in de studie konden worden waargenomen, kan helpen om andere complexe systemen beter te begrijpen. Daarbij kan de interactie tussen de Rydberg-atomen worden overgedragen op andere gebieden van huidig onderzoek, bijvoorbeeld op de absorptie en het transport van licht in moleculen tijdens fotosynthese. Nieuwste studies hebben aangetoond dat ook bij fotosynthese kwantumfysische effecten een belangrijke rol spelen en dat het energietransport ondanks de wanorde verbazingwekkend verliesvrij plaatsvindt."

Het werk aan deze studie vond plaats binnen het kader van de Sonderforschungsbereich OSCAR ("Open System Control of Atomic and Photonic Matter"), waarin de TUK samen met de Universiteit Bonn wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft. De resultaten van de metingen en simulaties, evenals een beschrijving van de experimentele opzet, zijn gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Nature Communications":

"Experimental realization of a 3D random hopping model"; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. Het Engelstalige artikel is gratis beschikbaar.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Vragen beantwoord door:
Prof. Dr. Herwig Ott
Fachgebiet Ultrakalte Quantengase und Quantenatomoptik / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de