Zwarte gaten op een elektronische chip

De Eindhovense hoogleraar Rembert Duine heeft een manier gevonden om een zwart gat te simuleren op een elektronische chip. Dat maakt het mogelijk om de fundamentele aspecten van zwarte gaten te bestuderen in een laboratorium op aarde. Bovendien kan het achterliggende onderzoek bijdragen aan quantumtechnologieën. Duine (tevens werkzaam aan de Universiteit Utrecht) en collega’s uit Chili publiceerden hun resultaten vandaag in het blad Physical Review Letters.

“Het is nu nog puur theoretisch”, vertelt Duine, “maar het is wel een voorstel waarvan alle experimentele ingrediënten er al zijn. Binnen één of twee jaar kan dit in een lab gaan gebeuren”. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld binnen de groep Fysica van Nanostructuren van de faculteit Technische Natuurkunde. Hier worden volgens Duine het type experimenten gedaan die nodig zijn om deze vorm van zwarte gaten te realiseren.

Waarnemingshorizon

Zwarte gaten in de ruimte zijn zo massief dat voorbij een point of no return, ook wel waarnemingshorizon genoemd, niets meer aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. De onderzoekers hebben nu ontdekt hoe je zo’n point of no return kunt maken voor spingolven, fluctuaties die zich voortbewegen in magnetische materialen. Als een elektrische stroom door het materiaal loopt, slepen de elektronen deze spingolven met zich mee.

Door zo'n stroom door een draad te geleiden die dik is aan de ene kant en dun aan de andere, stromen de elektronen sneller aan het dunne uiteinde, net zoals water sneller stroomt door een smallere leiding. De stroom van elektronen aan de dunne kant van de draad kan zo snel gaan dat de meegesleepte spingolven niet meer terug kunnen stromen. Het punt op de draad waar dit gebeurt, is een point of no return – en dus een waarnemingshorizon van een zwart gat – voor de spingolven.

Hawkingstraling

Er is wel al eerder onderzoek gedaan naar points of no return in andere typen systemen, maar nog niet eerder op elektronische chips. “Het bekendste experiment is met golven in een bak stromend water”, vertelt Duine. “Maar daar kun je geen quantummechanica mee doen. Er zijn recent ook experimenten gedaan met Bose-Einsteincondensaten, maar die werken alleen vlakbij het absolute nulpunt. De aardigheid van ons voorstel is dat het uiteindelijk onder normale omstandigheden zou moeten werken.”

Overal in het universum verschijnen en verdwijnen er constant paren van deeltjes en antideeltjes. Als dat gebeurt in de buurt van een zwart gat, gebeurt het soms dat het ene deeltje opgeslokt wordt door het zwarte gat, terwijl het andere deeltje ontsnapt en wegstraalt. Deze zogenaamde Hawkingstraling is zo zwak dat deze bijna niet waar te nemen is in de ruimte. Door een zwart gat op een elektronische chip te simuleren, is het mogelijk om de straling te bestuderen onder hogere temperatuur, waardoor de straling makkelijker waarneembaar wordt.

Quantumcomputers

De paren van deeltjes die Hawkingstraling veroorzaken zijn quantummechanisch verstrengeld: hun eigenschappen hangen zo nauw samen dat het niet mogelijk is het resulterende gedrag te beschrijven met klassieke natuurkunde. Verstrengeling is een van de belangrijkste elementen van quantumtechnologieën, zoals quantumcomputers. “Met dit onderzoek kunnen we verstrengelde paren van spingolven maken die zich aan de twee kanten van een point of no return bevinden”, vertelt Duine. “En omdat we zwarte gaten op chips bouwen, kunnen we die kwantumverstrengeling inzetten in elektronische toepassingen.”

Publicatie
A. Roldan-Molina, A.S. Nunez, en R.A. DuineMagnonic Black Holes (Physical Review Letters, 2017)
https://arxiv.org/abs/1610.02313