Smart atomsky løser Heisenbergs observationsproblem – Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Nyheder > Alle nyheder > Smart atomsky løser He...

14. juli 2017

Smart atomsky løser Heisenbergs observationsproblem

Kvantefysik:

Forskere fra Niels Bohr Institutet har været med til at udvikle et praktisk svar på en udfordring, der hænger uløseligt sammen med et af fysikkens mest fundamentale principper: Heisenbergs Ubestemthedsprincip. Bohr-forskerne brugte laserlys til at forbinde en vibrerende membran med cæsiumatomer - og har dermed banet vej for bevægelsessensorer af hidtil ukendt præcision.

Fra venstre: Phd studerende Rodrigo Thomas, Professor Eugene Polzik og PhD studerende Christoffer Møller foran eksperimentet, der demonstrer kvantefysiske målinger af bevægelse. Foto: Ola J. Joensen

Hverdagen er fuld af sensorer, der registrerer og måler alt muligt – og nogle af dem sidder i vores mobiltelefoner, hvor vi for eksempel kan sætte dem til at måle, hvor langt vi bevæger os, når vi er ude at gå en tur. Og dermed også få mulighed for at regne ud, hvor mange kalorier vi har forbrændt som følge af den fysiske aktivitet.

Når man ser på målinger gennem kvantefysikkens ’briller’ – altså målinger, som ved hjælp af avancerede mikroskoper og andet specialmåleudstyr beskæftiger sig med eksempelvis atomstrukturer og udsendelse af lys – er der imidlertid et problem, som både Niels Bohr og Werner Heisenberg beskæftigede sig med i 1920erne.

Dette problem – som handler om, at unøjagtigheder uundgåeligt sniger sig ind i visse målinger på kvanteniveau - er beskrevet i det såkaldte ubestemthedsprincip, der også kendes som ’Heisenbergs Ubestemthedsprincip’. Og netop dette princip kan i en vis forstand neutraliseres, har forskere fra Niels Bohr Institutet nu vist gennem en række forsøg. En opdagelse, som blandt andet kan få betydning for udvikling af nyt måleudstyr.

Forskningen er udført under ledelse af professor Eugene Polzik fra Kvanteoptik (QUANTOP) på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet – og det videnskabelige arbejde, der inkluderer konstruktionen af en avanceret vibrerende membran samt en atomsky spærret inde i et lille glasbur, offentliggøres i denne uge i Nature.

Hvis laserlys, der bruges til at måle bevægelse af en vibrerende membran (til venstre), først overføres gennem en sky af atomer (i midten), kan målfølsomheden være bedre end de standardkvantumgrænser, som Bohr og Heisenberg forudså. Grafik: Bastian Leonhardt Strube og Mads Vadsholt

Lyset ’sparker’ til objektet

Ubestemthedsprincippet siger, at der findes en grænse for hvor præcist man på samme tid kan kende både et objekts impuls (dvs.: dets masse gange hastighed) og dets position.

Forklaringen på denne begrænsning er, at man ved at observere et objekt gennem et mikroskop, som opererer med laserlys, uundgåeligt kommer til at ’sparke’ til objektet. Det sker, fordi lys er en strøm af fotoner, som reflekteres af objektet – og dette møde mellem fotoner og objekt får objektet til at flytte sig i tilfældige retninger. Dette fænomen kaldes Quantum Back Action (QBA) – og netop disse tilfældige bevægelser sætter grænser for, hvor præcist man kan måle på kvanteniveau.

Professor Polzik har gennemført forsøgene - hvor det objekt, der blev målt, var en specialfremstillet membran – sammen med en række yngre kolleger fra NBI. Heriblandt ph.d. studerende Christoffer Møller og Yeghishe Tsaturyan, der byggede den særlige membran, som skulle illudere et objekt på kvanteniveau – og ph.d. studerende Rodrigo Thomas og researcher Georgios Vasilakis, der stod for den atomare del af eksperimentet.

Desuden kunne Polzik støtte sig til to andre NBI-medarbejdere, lektor Mikhail Balabas, der byggede det lille glasbur til atomerne, og professor Albert Schliesser som sammen med tyske, græske og russiske kolleger hjalp med at gennemføre de mange beregninger, der skulle til, før forsøget kunne rapporteres i Nature.

Den atomare del af hybrideksperimentet. Atomerne er indeholdt i en mikrocelle inde i magnetisk skjold set i midten. Foto: Ola J. Joensen

Videnskabsmænd har gennem de seneste årtier søgt at finde måder, hvorpå man kan ’narre’ ubestemthedsprincippet – og Eugene Polzik og hans kolleger fik ideen til at bruge den avancerede atomsky for et par år siden.

Skyen består af 100 millioner atomer af grundstoffet cæsium, et såkaldt alkalimetal lige som natrium og kalium, og alle disse atomer befinder sig i en specialfremstillet glascelle, en slags hermetisk lukket bur, fortæller professor Polzik:

”Cellen er ikke ret stor – den er 1 cm lang, og både højde og bredde er bare 1/3 millimeter. Og for at få atomerne til at virke, er cellens indervægge behandlet med en paraffinblanding. Den særlige membran, hvis bevægelser måles på kvanteniveau, er 0,5 millimeter – og det er en meget betragtelig størrelse set i kvanteperspektiv”.

Hele ideen med glascellen er, at det laserlys, der bruges til undersøgelse af membranens bevægelser på kvanteniveau, sendes gennem den indkapslede atomsky INDEN det rammer selve membranen, fortæller Eugene Polzik:

”Resultatet bliver, at laserlysets fotoner ’sparker’ til både objektet – altså membranen - og til atomskyen, og disse spark udligner så at sige hinanden. Dermed er der ikke længere nogen Quantum Back Action, og heller ingen begrænsninger når det gælder den nøjagtighed, der kan måles med på dette niveau”.

Den optomekaniske del af hybrideksperimentet. Kryostaten, der ses i midten, indeholder den vibrerende membran, hvor kvantebevægelsen måles. Foto: Ola J. Joensen

Men hvordan kan det udnyttes?

”Hen ad vejen vil det, vi her har vist, blandt andet kunne bruges ved udvikling af nye former for analyseudstyr – herunder til måling af forskellige former for bevægelse, som vi i dag kender fra for eksempel mobiltelefoner, navigationsudstyr og geologiske undersøgelser”, siger professor Eugene Polzik:

”Målinger på kvanteniveau er i det hele taget et felt, der kommer stadig mere opmærksomhed på - for eksempel har EU netop iværksat et stort forskningsprogram, Quantum Technologies, der også indeholder midler til forskning i denne type målinger ”.

Et andet felt, hvor det kan få betydning at man nu véd, hvordan man kan ’narre’ ubestemthedsprincippet, handler om gravitationsbølger, tyngdebølger fra rummet, der udbreder sig med lysets hastighed. I september 2015 kunne det amerikanske LIGO-eksperiment således for første gang offentliggøre direkte målinger af en sådan gravitationsbølge, der opstod, da to meget tunge sorte huller kolliderede.

Det udstyr, LIGO arbejder med, forstyrres imidlertid af Quantum Back Action, og her kan man også forestille sig, at den nye forskning kan bruges til at eliminere dette problem, fortæller Eugene Polzik.

Eugene Polzik, professor og leder af Center for Kvanteoptik, Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-5424, polzik@nbi.dk