Første billeder af atomerne i verdens koldeste krystal
Dansk fysiker står i spidsen for en forskergruppe, der har taget billeder af atomerne i verdens koldeste krystal.

Ved at sende lysbølger fra lasere vinkelret ind på hinanden har fysikerne skabt et æggebakkelignende net af brønde. I disse brønde af lys er atomerne blevet fanget som æg i æggebakkerne. (Tegning:Aarhus Universitet)

Ved at sende lysbølger fra lasere vinkelret ind på hinanden har fysikerne skabt et æggebakkelignende net af brønde. I disse brønde af lys er atomerne blevet fanget som æg i æggebakkerne. (Tegning:Aarhus Universitet)

Nye banebrydende forskningsresultater trækker tråde tilbage til Niels Bohrs ideer om, at alt stof kan optræde som både bølger og partikler og opfylder en årtier gammel drøm.

Det er lykkes forskerne at tvinge en diffus sky af ultrakolde atomer på bølgeform - i et Bose-Einstein-kondensat - til at materialisere sig som partikler - som enkelte atomer.

Med forskernes nyudviklede mikroskop kan vi for første gang se et billede af disse ultrakolde atomer, som det tilmed er lykkedes forskerne at samle i verdens koldeste krystal.

De nye resultater er ikke kun af fundamental videnskabelig interesse - de åbner mulighed for teknologiske fremskridt for kvantecomputere og superledende el-kabler.

Tvinger atomer fra bølger til partikler

Postdoc Jacob Friis Sherson, Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet, står i spidsen for et hold fysikere, som har fuldbragt den yderste konsekvens i Niels Bohrs teori om, at atomer kan skifte mellem at optræde som enten bølger eller partikler.

Det lykkedes ved at tvinge atomerne ned i et net af dybe brønde skabt af lys. De mange brønde ligger på rad og række som hullerne i en æggebakke. Her samlede atomerne sig - i overensstemmelse med Bohrs ideer - med ét eller flere atomer i hver brønd (se Figur 2 forneden).

Forskere verden over har indtil nu kun haft held til at observere kolde atomer som disse som en diffus bølgesky - altså at observere atomerne som bølger. Nu er det for første gang lykkedes at tvinge hvert af atomerne til at være på ét bestemt sted. Med det nye mikroskop med ultrahøj opløsning kan man tilmed se hvert enkelt atom.

Figur 2.Fra bølger til partikler: Første billede af enkelte atomer

De ultrakolde atomer i et Bose-Einstein-kondensat befinder sig på bølgeform - som en diffus sky. Hvert af atomerne er udstrakt over det hele og overlapper tilmed hinanden.

Ved pludseligt at tænde laserne og skabe dybe brønde med æggebakkestruktur tvinges hvert atom til at vælge i hvilken brønd, det vil befinde sig.

På billederne ses resultatet: en uordnet blanding af tomme brønde og fyldte brønde. Dette er netop i overensstemmelse med Niels Bohrs forudsigelse om, at det er tilfældigt hvilken brønd hvert enkelt atom vælger.

Til venstre ses det billede, forskerne har taget af atomerne vha. deres nyudviklede mikroskop.

I midten ses en tegning, hvor prikkerne tydeliggør, hvilke brønde der er besat med atomer (lyse prikker).
Til højre ses en 3D-illustration af målingerne, som viser hvordan forskerne visualiserer atomerne.

(Foto:Jacob Friis Sherson, Aarhus Universitet)

»Vi har fået atomerne til at transformere sig fra at være bølger til at være partikler på to måder - pludseligt og meget langsomt - og vi opnår to vidt forskellige resultater,« siger Jacob Sherson. »Dette kan ikke bare ses som en bekræftelse på Niels Bohrs teorier om dualiteten mellem bølger og partikler, men også på hans påstand om, at iagttageren uundgåeligt påvirker det objekt han beskuer,« siger han.

Et skridt på vej mod kvantecomputeren

Ved præcist og langsomt at øge dybden af brøndene er det tilmed lykkedes forskerne at udnytte atomernes indbyrdes vekselvirkning til at få dem til at organisere sig selv i en yderst ordnet æggebakkelignende struktur med præcist ét atom per brønd.

Atomerne lægger sig ordnet på rad og række - dvs. de danner en lille krystal - som det ses på Figur 3. Også dette har forskerne nu observeret som de første.

Det som ses på billederne, kan være forløberen til en storskala-kvantecomputer: For forskerne skal nu i gang med at undersøge, om de kan manipulere med hvert af de cirka 300 enkeltatomer.

Hvis det lykkes, udgør atomerne på billedet en CPU til en storskala-kvantecomputer med 300 bits! Dette ville give større regnekraft end selv den største supercomputer i dag.

Figur 3: Den koldeste krystal i verden

I stedet for pludseligt at tænde laserne og skabe dybe brønde med æggebakkestruktur har forskerne i dette eksperiment langsomt skruet op for brøndenes dybde. Atomerne har derved haft tid til at tilpasse sig æggebakkegitteret. Resultatet er, at atomerne organiserer sig selv i en velordnet struktur med præcis ét atom i hver brønd.

Til venstre ses det billede, forskerne har taget af atomerne vha. deres nyudviklede mikroskop.

I midten ses en tegning, hvor prikkerne tydeliggør, hvilke brønde der er besat med atomer.
Til højre ses en 3D-illustration af målingerne, som viser hvordan forskerne visualiserer atomerne. Bemærk, at man her tydeligt ser de to steder i gitteret - som svarer til tre brønde - som mangler tre atomer.

Forskerne har her skabt og taget billede af den koldeste krystal nogensinde!

Forskerne har også som de første i verden været i stand til at identificere de enkelte tomme brønde, som opstår i midten, fordi temperaturen ikke er absolut nul, men nogle få nanograder over det absolutte temperaturnulpunkt (minus 273 grader Celcius) som er nok til at sparke enkelte atomer ud.

(Foto:Aarhus Universitet)

For at kunne bygge en kvantecomputer skal man have alle brønde fyldt med atomer.

Som det ses på billederne er nogle få brønde uden atomer (i den ellers velordnede struktur). Det er lige netop disse huller, som hidtil har ødelagt muligheden for en brugbar kvantecomputer. Derfor er det et kvantespring frem mod realiseringen af en brugbar kvantecomputer endelig at kunne se defekterne.

Dette vil tillade forskerne i fremtidige forsøg at observere effekten af ændrede parametre og derved fremstille strukturer med færre og færre fejl.

Superledende el-kabler

Ultrakolde krystaller som disse forventes også at fungere som 'arbejdende' modeller for, hvordan elektroner - som også har bølge-partikel-karakter ligesom atomer - opfører sig i faste stoffer. Det er elektronerne, som leder elektrisk strøm - og hvis det lykkes at få en dybere forståelse af elektroner i fx metaller - så kan det give håb om at designe nye metaller, som er superledende.

Man kunne for eksempel håbe, at det i fremtiden vil blive rentabelt at opbevare strøm fra vindmøller i superledere til brug, når det ikke blæser.

Om undersøgelsen 

Er atomer partikler eller bølger?

Alle gasser - som fx den luft vi indånder - består af atomer eller molekyler, der bevæger sig rundt med en hastighed bestemt af temperaturen: jo højere temperatur, jo hurtigere. Ved stuetemperatur er atomernes fart typisk flere hundrede km/t.
En af de store udfordringer i fysikken er at sænke deres fart - dvs. at køle dem ned. Dette kulminerede i 1995, da det lykkedes amerikanske forskere at skabe et såkaldt Bose-Einstein-kondensat hvor de samlede en gruppe atomer i den lavest mulige energitilstand - dvs. nær det absolutte temperatur-nulpunkt ved minus 273 grader Celcius. Deres bedrift udløste Nobelprisen.
Ved så lave temperaturer får alt stof udpræget bølgekarakter frem for partikelkarakter og atomerne er derfor fordelt som en diffus bølgesky. Det er et af de virkelige forunderligere fænomener ved naturen på lille skala, at hvert atom rent faktisk er over det hele samtidig! Denne bølgeegenskab er blevet vist teoretisk i kvantemekanikken og ved utallige eksperimenter.
Nu er det for første gang lykkedes forskere at tvinge hvert af atomerne i dette kondensat til at være på ét bestemt sted og derefter, vha. et specialdesignet mikroskop med ultrahøj opløsning at se dem alle.  

Optisk gitter - en fælde af lys

Det vigtigste redskab i eksperimentet er et såkaldt optisk gitter. Det består af stående bølger af lys som produceres ved at reflektere en laserstråle tilbage i sig selv - ligesom når man fastgør et tov til en mur og svinger det. Hvis man vælger den rigtige lysfrekvens, søger atomerne mod områder med høj intensitet. Hvis man gør det i alle tre rumlige retninger dannes en perfekt æggebakkelignende struktur, som atomer tiltrækkes mod.
Atomerne føler derved gitterstrukturen, men kraften fra gitteret er så svag, at atomerne frit kan hoppe fra brønd til brønd. Resultatet er den såkaldte superflydende tilstand, hvor hvert atom repræsenteres ved en bølge, der eksisterer overalt i gitteret samtidig. For at tvinge atomerne til at lokalisere sig selv, gjorde forskerne derefter brøndene meget dybe, så atomerne ikke længere frit kunne hoppe fra brønd til brønd og så at sige måtte vælge, hvor de ville være. Resultatet blev, at nogle brønde var tomme, mens andre havde forskelligt antal atomer.

 

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om astronautens foto af polarlys, som du kan se herunder.