Natuurkundigen zien voor het eerst 'Magnus-effect' in laserlicht op een atoom

Een geslagen tafeltennisbal met de juiste spin buigt op het laatste moment plotseling af. Dat verschijnsel heet het Magnus-effect en is bekend van tafeltennis, voetbal en andere balsporten. Onderzoekers van het Zwitserse Paul Scherrer Institute (PSI) hebben nu een optische variant van dit effect voor het eerst experimenteel aangetoond, met een enkel gevangen atoom als proefkonijn. De bevindingen zijn gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.

Het optische Magnus-effect speelt niet met een bewegende bal, maar met licht dat op een stilstaand deeltje wordt gericht. Het team schoot een strak gebundelde laser op een enkel qubit: een calciumion dat met elektromagnetische velden op zijn plek werd gehouden in een zogeheten ionenval. De verwachting is dat licht en ion elkaar het sterkst beïnvloeden precies in het midden van de laserbundel, waar de lichtintensiteit het hoogst is. Uit het experiment bleek dat dit punt van maximale interactie in werkelijkheid een klein stukje opzij verschoven ligt.

Waarom licht niet doet wat je verwacht

De verklaring zit in de manier waarop licht zich gedraagt zodra het extreem scherp wordt gefocusseerd. Bij zo'n sterke bundeling verandert de ruimtelijke structuur van het elektromagnetische veld van de laser. Daardoor verschuift het punt waar de wisselwerking met het ion het krachtigst is, weg van het geometrische centrum van de bundel. Volgens eerste auteur Philip Leindecker, verbonden aan PSI en de ETH Zürich, fungeerde het ion in het experiment als een uiterst gevoelige sensor. Daarmee kon het team verschuivingen meten van slechts een paar honderd nanometer, een fractie van de dikte van een haar.

Opvallend is dat de grootte van deze verschuiving alleen afhangt van de golflengte van het licht, en niet van hoe scherp de laser wordt gefocusseerd. Dat maakt het effect goed voorspelbaar. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hadden het bestaan van dit optische Magnus-effect al eerder theoretisch voorspeld; het PSI-team heeft het nu voor het eerst daadwerkelijk waargenomen en nauwkeurig in kaart gebracht.

Belang voor kwantumcomputers

Gevangen ionen zoals het calciumatoom in dit experiment worden ook gebruikt als qubits in kwantumcomputers. Laserlicht dient daarbij als schakelaar om de kwantumtoestand van zo'n qubit gericht te veranderen. Als de laserbundel wordt gefocusseerd om precies één qubit te raken zonder buurqubits te storen, kan het optische Magnus-effect roet in het eten gooien: de werkelijke interactie vindt net ergens anders plaats dan bedoeld, wat tot rekenfouten kan leiden als er geen rekening mee wordt gehouden.

Tegelijk ziet het team ook kansen. De zijwaartse krachten die het effect veroorzaakt, zouden gebruikt kunnen worden om qubits juist doelbewust aan elkaar te koppelen, wat nodig is voor complexere berekeningen. Voor de verdere ontwikkeling van kwantumcomputers met gevangen ionen is precieze kennis van dit soort optische bijeffecten essentieel, omdat de techniek steeds verder opschaalt naar systemen met meer qubits die dicht bij elkaar liggen.