Een team van natuurkundigen in Barcelona heeft vloeistofdruppels gemaakt die 100 miljoen keer dunner zijn dan water en die zichzelf bij elkaar houden met behulp van vreemde kwantumwetten.
In een paper dat op 14 december in het tijdschrift Science werd gepubliceerd, onthulden onderzoekers dat deze bizarre druppels opdoken in de vreemde, microscopische wereld van een laserrooster - een optische structuur die wordt gebruikt om kwantumobjecten te manipuleren - in een laboratorium van het Spaanse Institut de Ciències Fotòniques, of Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO). En het waren echte vloeistoffen: stoffen die hun volume behouden ongeacht de buitentemperatuur en in kleine hoeveelheden druppeltjes vormen. Dat is in tegenstelling tot gassen, die zich verspreiden om hun containers te vullen. Maar ze waren veel minder dicht dan welke vloeistof dan ook die onder normale omstandigheden bestaat, en behielden hun vloeibare toestand door middel van een proces dat bekend staat als kwantumfluctuatie.
De onderzoekers koelden een gas van kaliumatomen gekoeld tot minus 459,67 graden Fahrenheit (minus 273,15 graden Celsius), dicht bij het absolute nulpunt. Bij die temperatuur vormden de atomen een Bose-Einstein-condensaat. Dat is een toestand waarin koude atomen samenklonteren en fysiek beginnen te overlappen. Deze condensaten zijn interessant omdat hun interacties worden gedomineerd door kwantumwetten, in plaats van de klassieke interacties die het gedrag van de meeste grote hoeveelheden materie kunnen verklaren.
Toen onderzoekers twee van deze condensaten tegen elkaar duwden, vormden ze druppeltjes die zich aan elkaar bonden om een bepaald volume te vullen. Maar in tegenstelling tot de meeste vloeistoffen, die hun druppelvormen bij elkaar houden door de elektromagnetische interacties tussen moleculen, hielden deze druppels hun vorm vast door middel van een proces dat bekend staat als 'kwantumfluctuatie'.
Kwantumfluctuatie komt voort uit het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat deeltjes in wezen probabilistisch zijn - ze hebben niet één energieniveau of plaats in de ruimte, maar zijn eerder uitgesmeerd over verschillende mogelijke energieniveaus en locaties. Die "besmeurde" deeltjes gedragen zich een beetje alsof ze rondspringen over hun mogelijke locaties en energieën, waardoor ze druk uitoefenen op hun buren. Tel alle druk op van alle deeltjes die vloeien, en je zult merken dat ze elkaar eerder aantrekken dan elkaar afstoten. Die attractie bindt ze samen tot druppeltjes.
Deze nieuwe druppels zijn uniek omdat kwantumfluctuatie het dominante effect is dat ze in hun vloeibare toestand houdt. Andere "kwantumvloeistoffen" zoals vloeibaar helium demonstreren dat effect, maar brengen ook veel sterkere krachten met zich mee die ze veel strakker aan elkaar binden.
Kaliumcondensaatdruppels worden echter niet gedomineerd door die andere krachten en hebben zeer zwak interagerende deeltjes en verspreiden zich daarom over veel grotere ruimtes - zelfs als ze hun druppelvorm behouden. In vergelijking met vergelijkbare heliumdruppels, schrijven de auteurs, is deze vloeistof twee ordes van grootte groter en acht ordes van grootte meer verdund. Dat is een groot probleem voor onderzoekers, schrijven de onderzoekers; kaliumdruppels kunnen voor toekomstige experimenten een veel beter model kwantumvloeistof blijken te zijn dan helium.
De kwantumdruppeltjes hebben echter hun grenzen. Als er te weinig atomen bij betrokken zijn, vallen ze in elkaar en verdampen ze in de omringende ruimte.
