TUK brengt expertise in de natuurkunde in

Elke Neu Ruffing

Swarmverhalten, zoals we dat bijvoorbeeld van vogels en vissen kennen, dient als inspiratie voor de onderzoekers in het recent door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) goedgekeurde project. Het doel van de met 11 miljoen euro gefinancierde Transregio-speciale onderzoeksgebied (TRR-SFB) "Quantenkooperativiteit van Licht en Materie" is om cooperatief gedrag in de kwantumwereld te begrijpen en te benutten, om uiteindelijk bijvoorbeeld de prestaties of signaalgevoeligheid van sensoren te verbeteren. In het SFB netwerken meerdere universiteiten regionaal samen. Jun.-Prof. Elke Neu-Ruffing van de TU Kaiserslautern (TUK) is met haar werkgroep betrokken bij een deelproject.

De Friedrich-Alexander-Universiteit Erlangen-Nürnberg (FAU) vormt samen met de Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz (JGU) en de Universiteit van het Saarland het kernteam in het nieuwe TRR-SFB “QuCoLiMa”. De onderzoekers bestuderen collectief gedrag in de kwantumwereld. Als basis dient het fenomeen van swarmgedrag dat bekend is uit de dierenwereld – dat wil zeggen dat samenwerking effecten ontketent die verder gaan dan de som van de individuele bijdragen. Het onderzoeksgebied betreft interacties op het snijvlak van kwantoptiek en gecondenseerde materie. De wetenschappers willen in het kader van het TRR-SFB uiteindelijk achterhalen of en hoe cooperatief gedrag in de kwantumwereld ontstaat en hoe dit te controleren is. De bevindingen moeten onder andere worden toegepast in vorm van afluisterveilige communicatie-technologie, krachtige sensoren en computers.

“We brengen een klein aantal atomaire deeltjes in een gesloten systeem, een zogenaamde resonator van siliciumcarbide,” legt Neu-Ruffing uit. “Het licht dat de deeltjes uitzenden, wordt steeds weer teruggekaatst naar hen, wat uiteindelijk leidt tot gesynchroniseerde lichtuitzending. De deeltjes vormen op deze manier samen met het licht een collectief systeem. Onderzoek naar collectieve kwantumsystemen is er al wel geweest, maar nog nooit in dit nieuwe materiaalsysteem. Met onze aanpak kunnen we veel beter begrijpen hoe de effecten ontstaan en daarop voortbouwen.”

Terwijl de fysica van Kaiserslautern met licht werkt, onderzoekt de FAU parallel collectief deeltjesgedrag in verband met mechanische trillingen. De Johannes Kepler Universiteit Linz zorgt voor de theoretische onderbouwing en berekent de effecten van licht en trilling in de gesloten systemen of resonatoren.

Een belangrijke rol speelt siliciumcarbide als “bouwmateriaal” voor de resonatoren en voor het creëren van de atomaire systemen. “We gebruiken deze chemische verbinding als platform om onze systemen heel dicht bij bestaande technologie te brengen. Siliciumcarbide vindt tegenwoordig al brede toepassing in de halfgeleiderindustrie voor vermogenselektronica,” aldus Neu-Ruffing. “De toekomstvisie is dat onze bevindingen het mogelijk maken om kwantumtechnologieën te koppelen aan klassieke technologieën.”

Met het oog op toekomstige toepassingsscenario’s noemt Neu-Ruffing kwantumsensoren als voorbeeld: “Wanneer een sensor kwantummechanisch gedraagt, is hij veel gevoeliger voor inkomende impulsen uit zijn omgeving,” legt de fysicus uit. “Diffuse signalen zoals ruis kunnen daarmee bijvoorbeeld veel beter worden gemeten.” Het gezamenlijke onderzoek naar collectieve kwantumsystemen in het Transregio-speciale onderzoeksgebied QuCoLiMa moet de weg vrijmaken om dergelijk potentieel bijvoorbeeld in de sensoriek te ontsluiten en vooruitgang in de informatie- en communicatietechniek mogelijk te maken.

Vragen beantwoord door:
Jun.-Prof. Elke Neu-Ruffing
Tel.: 0631 205-5788
E-mail: nruffing@rhrk.uni-kl.de