Förlänger livstiden hos atomer med hjälp av en spegel

Forskare vid Chalmers har lyckats med ett experiment där de får en konstgjord atom att leva tio gånger längre än normalt, genom att placera atomen framför en spegel. Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Nature Physics.

Om man tillför energi till en atom, man säger att atomen exciteras, så tar det normalt en viss tid innan atomen förlorar energin och återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Denna tid kallas atomens livstid. Chalmersforskarna har placerat en konstgjord atom på ett visst avstånd framför en kortslutning som fungerar som en spegel.  Genom att ändra avståndet till spegeln kan de få atomen att leva längre, upp till tio gånger längre än normalt, det vill säga om spegeln inte hade funnits där.

Den konstgjorda atomen är egentligen en supraledande elektrisk krets som forskarna får att bete sig som en atom. Precis som en naturlig atom kan man ladda upp den med energi, excitera atomen, som den sedan skickar ut i form av ljuspartiklar. I det här fallet har ljuset mycket lägre frekvens än vanligt ljus och är i själva verket mikrovågor.

– Vi har visat hur vi kan styra livstiden hos en atom på ett mycket enkelt sätt, säger Per Delsing, professor i fysik och ledare för forskargruppen.
– Genom att ändra avståndet mellan atomen och spegeln kan vi variera livstiden hos atomen. Om vi placerar atomen på ett särskilt avstånd från spegeln blir atomens livstid så lång att vi inte ens kan observera atomen. Vi kan alltså gömma atomen framför en spegel, fortsätter han.

Försöket är ett samarbete mellan experimentella och teoretiska fysiker på Chalmers, där de senare har utvecklat teorin för hur atomens livstid varierar med avståndet till spegeln.

– Anledningen till att atomen ”dör”, det vill säga återgår till sitt ursprungliga grundtillstånd, är att den ser de mycket små variationerna i det elektromagnetiska fältet som måste finnas enligt kvantteorin, de så kallade vakuumfluktuationerna, säger Göran Johansson, biträdande professor i tillämpad kvantfysik och ledare för teorigruppen.

När atomen är placerad framför spegeln växelverkar atomen med sin spegelbild vilket förändrar hur mycket vakuumfluktuationer atomen utsätts för. Faktum är att det system som chalmersforskarna lyckats bygga lämpar sig utmärkt för att mäta vakuumfluktuationerna, något som annars är mycket svårt att göra.

Resultaten publicerades den 28 september i den högrankade tidskriften Nature Physics.

Läs artikeln i Nature Physics:
I.-C. Hoi, A. F. Kockum, L. Tornberg, A. Pourkabirian, G. Johansson, P. Delsing and C. M.Wilson (2015) Probing the quantum vacuum with an artificial atom in front of a mirror. Nature Physics (2015).
dx.doi.org/10.1038/NPHYS3484

Bildtext:
Livstiden hos en atom kan förlängas upp till tio gånger genom att den placeras framför en kortslutning som fungerar som en spegel. Den konstgjorda atomen består av en supraledande krets på ett kiselchip. Växelverkan mellan atomen och dess spegelbild förändrar de vakuumfluktuationer som atomen ser och därigenom dess livstid. Mikrovågorna som förmedlar växelverkan leds mellan atomen och spegeln i en transmissionsledning på chipet.
Illustration: Moa Carlsson och Lisa Kinnerud, Krantz NanoArt

För mer information, kontakta:
Per Delsing, professor i fysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, 070-308 8317, per.delsing@chalmers.se
Göran Johansson, biträdande professor i tillämpad kvantfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, 073-060 7338, goran.l.johansson@chalmers.se

Fakta om forskningen
Provet som forskarna använder tillverkas på ett kiselchip och innehåller två viktiga delar. Den första är en supraledande krets som utgör den konstgjorda atomen. Den andra delen är en kortslutning som fungerar som en spegel. Genom att skicka in en mycket svag signal till atomen, kan forskarna mäta livstiden hos atomen. Samtidigt kan de variera det effektiva avståndet till spegeln. Detta sker genom att atomens resonansfrekvens varieras, medan det verkliga avståndet hålls konstant. På så sätt kan man ändra avståndet mätt i antalet våglängder för ljuset/mikrovågorna. Den frekvens som används i experimentet är 4.8 GHz, nära de radiovågor som används i trådlösa nätverk. Experimenten utförs vid mycket låga temperaturer, nära absoluta nollpunkten (30 mK), för att atomen ska vara i sitt grundtillstånd när experimentet börjar.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och European Research Council.

Publicerad: fr 16 okt 2015.