Geen supergeleiding, maar toch stromen energie en massa zonder weerstand door deze ‘kwantumdraad’

Een experiment met ultrakoude atomen toont aan dat materie soms ongehinderd kan bewegen, zelfs wanneer deeltjes voortdurend tegen elkaar botsen. Maar pas op: dit is geen supergeleiding.

Stel je voor dat je een bal door stroop gooit, maar de bal rolt er toch doorheen alsof de stroop er niet is. Dat klinkt onmogelijk, maar iets vergelijkbaars hebben fysici aan de TU Wien in Wenen nu waargenomen met atomen. In een extreem koud en onvoorstelbaar dun ‘draadje’ van atomen stromen energie en massa vrijwel zonder verlies, ondanks talloze botsingen tussen de deeltjes.

Wat hebben de onderzoekers precies gedaan?

Tijdens een experiment sloten de onderzoekers duizenden rubidiumatomen op in een flinterdunne structuur. Die structuur is zo smal dat de atomen zich uitsluitend in één richting kunnen bewegen. Dit is mogelijk door een combinatie van magnetische velden en licht van een digitale spiegelopstelling. Die laatste techniek maakt het mogelijk om willekeurige potentiaallandschappen te creëren. In mensentaal: onzichtbare muren en hellingen voor de atomen.

Het geheel werd vervolgens afgekoeld tot slechts tientallen miljardsten graden boven het absolute nulpunt. Bij zulke temperaturen gedragen atomen zich niet meer als losse deeltjes, maar als golven die collectief reageren. Dat noemt men een kwantumgas.

Waarom is dit zo bijzonder?

In vrijwel alle materialen die we kennen, gaat beweging gepaard met verlies. Elektronen in een koperdraad botsen tegen atomen en verliezen energie als warmte. Lucht remt bewegende voorwerpen af. Zelfs licht verliest intensiteit wanneer het door glas reist. Dit fenomeen heet dissipatie en het is zo universeel dat we het als vanzelfsprekend beschouwen.

Maar in het Weense experiment was dissipatie vrijwel afwezig. Wanneer de onderzoekers een kracht uitoefenden op het gas door het potentiaallandschap scheef te zetten, begon er een stroom van atomen te vloeien. Die stroom bleef stabiel groeien, zonder af te zwakken.

En het gaat niet alleen om massa. Ook de energie die in het systeem zit, verplaatst zich zonder noemenswaardige verliezen. De onderzoekers konden dit meten door twee gaswolken met verschillende dichtheden samen te brengen en te kijken hoe snel de energie zich verspreidde. Dit gebeurde razendsnel en zonder verstrooiing.

De newtonpendel-analogie

Een handige manier om dit te begrijpen, is door te denken aan het klassieke bureauspeeltje: de newtonpendel, dat toestel met vijf metalen ballen aan dunne draden dat je wel eens in films ziet. Als je de linkerbal loslaat, botst hij tegen de rij, en springt alleen de rechterbal weg. De energie wordt niet uitgesmeerd over alle ballen, maar keurig doorgegeven van de ene naar de andere.

Dat gebeurt ook in dit kwantumgas, maar dan op atomair niveau. De trillingen en bewegingen van de atomen gedragen zich als quasi-deeltjes die hun energie niet kwijtraken aan hun omgeving. Ze botsen wel, maar geven hun impuls netjes door. Er gaat niets verloren.

Wat betekent dit voor de wetenschap?

De resultaten van de studie bevestigen voorspellingen van een relatief nieuwe theorie: de gegeneraliseerde hydrodynamica (GHD). Die theorie beschrijft hoe kwantumsystemen met veel behoudswetten zich op grote schaal gedragen. Tot nu toe was die theorie vooral wiskundig elegant, maar experimentele bevestiging ontbrak grotendeels. Dit experiment laat zien dat de theorie klopt, tot in de details.

Dat opent deuren. Als we precies begrijpen waarom weerstand in sommige systemen verdwijnt, kunnen we misschien materialen ontwerpen waarin energieverlies minimaal is. Dat kan leiden tot veel efficiëntere elektronica, betere warmtegeleiders en bouwstenen voor betere kwantumcomputers, al zijn zulke toepassingen nog verre toekomstmuziek.

Dit is géén supergeleiding

Nu zou je kunnen denken: dit klinkt als supergeleiding, het fenomeen waarbij elektrische stroom zonder weerstand door een materiaal vloeit. Maar dat is het niet en het verschil is fundamenteel.

Bij supergeleiding vormen elektronen zogeheten Cooper-paren. Dat zijn duo’s die zich als één kwantumdeeltje gedragen en gezamenlijk door een materiaal glijden zonder energie te verliezen.

Het Weense experiment werkt heel anders. Hier gaat het niet om geladen elektronen, maar om neutrale atomen. En het mechanisme dat weerstand voorkomt, is niet de vorming van paren, maar de wiskundige structuur van het systeem zelf. Omdat het systeem ‘integreerbaar’ is, kunnen stromen simpelweg niet vervallen.

Een ander cruciaal verschil: supergeleiding is een fase van materie, een collectieve toestand waarin het hele materiaal zich anders gedraagt. Wat hier gebeurt, is eerder een eigenschap van de dynamica. Het systeem is geen supergeleider, maar een bijna perfecte ‘doorlaatbuis’ voor energie en massa.