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.
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.
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.
