Att enskilda atomer
växelverkar med ljus är välkänt och har studerats ingående inom området
kvantoptik. Växelverkan med ljud har däremot varit mycket svårare att
åstadkomma. Chalmersforskarna har nu lyckats med ett experiment där akustiska
vågor kopplar till en konstgjord atom. Studien är ett samarbete mellan
experimentella och teoretiska fysiker.
– Vi har öppnat en ny dörr till
kvantfysikens värld, där vi kan lyssna till och prata med atomer, säger Per
Delsing, ledare för den experimentella forskargruppen. Vår långsiktiga strävan är
att tämja kvantfysiken så att vi kan dra nytta av dess lagar, till exempel i
extremt snabba datorer. Det gör vi genom att designa elektriska kretsar som följer
kvantlagarna och som vi själva kan styra och studera.
Chalmersforskarna vid kryostaten som används för att kyla proverna till nära absoluta nollpunkten. Från vänster: Per Delsing, Thomas Aref, Göran Johansson, Martin Gustafsson, Maria Ekström och Anton Frisk Kockum.
Foto: David Niepce
En konstgjord atom är ett
exempel på en sådan kvantfysisk elektrisk krets. Precis som en naturlig atom
kan man ladda upp den med energi, som den sedan skickar ut i form av en
partikel. Vanligtvis rör det sig om en ljuspartikel, men i
Chalmers-experimentet är atomen i stället designad för att ta emot och skicka
ut energi i form av ljud
– Enligt teorin är ljudet från
atomen uppdelat i enskilda kvantpartiklar, säger Martin Gustafsson, som är artikelns
försteförfattare. En sådan partikel är det svagaste ljud som kan detekteras.
Eftersom ljudet rör sig mycket långsammare än ljuset erbjuder den akustiska
atomen helt nya möjligheter att ta kontroll över kvantfysiken.
– I och med att ljud rör sig så långsamt får vi tid på oss att styra
kvantförloppen medan de pågår, säger
Martin Gustafsson. Det är svårt att göra med ljus, som rör sig 100 000 gånger så snabbt.
Ljudets låga hastighet betyder också att det har kort våglängd jämfört med
motsvarande ljus. En atom som växelverkar med ljus är alltid mycket mindre än
ljusvåglängden. Jämfört med ljudets våglängd är atomen i stället väldigt stor,
och det gör att man kan kontrollera dess egenskaper bättre. Till exempel kan
man designa den för att koppla till vissa akustiska frekvenser och inte andra,
eller göra växelverkan med ljudet extremt stark.
Den frekvens som används i experimentet är 4.8 gigahertz, nära de mikrovågor
som används i trådlösa nätverk. I musikaliska termer svarar den ungefär mot ett
D28, alltså 20 oktaver över den högsta tangenten på ett piano.
Vid så hög frekvens blir våglängden så kort att ljudvågen kan ledas längs
ytan på ett mikrochip. På chippet har forskarna tillverkat sin konstgjorda
atom, som är ungefär 0.01 millimeter stor och gjord av supraledande material.
Artikeln Propagating phonons coupled to an artificial
atom publiceras i tidskriften Science, och finns tillgänglig i
online-utgåvan Science Express
Text: Johanna Wilde och Martin Gustafsson
Bildtext toppbilden: Till höger sänder en
konstgjord atom ut ljudvågor i form av krusningar på ytan av ett mikrochip.
Ljudet plockas upp till vänster av en mikrofon, som består av en rad metalliska
”fingrar”. Enligt teorin består signalen av en ström av kvantpartiklar, de
svagaste ljud som är fysiskt möjliga. Bilden är inte skalenlig. Illustration: Philip
Krantz, Krantz NanoArt
Fakta om forskningen
Provet som forskarna använder tillverkas på gallium-arsenid och innehåller
två viktiga delar. Den första är en supraledande krets som utgör den
konstgjorda atomen. Kretsar av denna typ kan användas som byggstenar i en
kvantdator (kvantbitar). Den andra delen är en komponent som kallas för interdigital transducer (IDT). Den omvandlar mikrovågsljus till mikrovågsljud
och tvärtom. Det ljud som används är ytakustiska vågor, ljud som rör sig som
krusningar på ytan av ett fast material. Experimenten utförs vid mycket låga
temperaturer, nära absoluta nollpunkten (20 millikelvin), för att inte energi i
form av värme ska störa atomen.
Mikroskopbild: Den konstgjorda atomen, i gråblått uppe till höger, kan sända ut och ta emot ljud som rör sig längs ytan på ett mikrochip. Strukturen i gråblått nere till vänster är en kombinerad högtalare/mikrofon som används för att kommunicera akustiskt med atomen.
Bild: Martin Gustafsson och Maria Ekström
Den teoretiska forskargruppen, som leds av Göran Johansson, publicerade nyligen
en redogörelse för hur den akustiska atomen fungerar.
Forskningen har
finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, European
Research Council och Wenner-Gren Stiftelserna.
Mikroskopbild: Förstoring av den konstgjorda atomen, med dess inbyggda supraledande kvantinterferometer (en så kallad ”squid”) i rosa. Det är squiden som ger atomen dess kvantfysiska egenskaper. ”Fingrarna” som sticker upp åt vänster står för kopplingen till ljudvågorna.
Bild: Martin Gustafsson och Maria Ekström