Kan store ting også opføre sig kvantefysisk?

Selv efter en tilvænningsperiode på over 100 år, strider kvantemekanikkens fænomener stadig imod den intuition for naturen, som vi opbygger gennem hverdagens erfaringer. Kvantemekanikken forvirrer og forundrer på samme tid.

Vi har længe vidst, at partikler kan være i en superpositionstilstand af både her-og-der. Det kan vi måle i laboratoriet. Men gælder det samme også for større ting? Det er spørgsmålet.

Mange finder måske en smule trøst i, at bizarre fænomener som Schrödingers kat, der er død og levende på samme tid (mere herom om lidt) trods alt hører hjemme i atomernes verden - langt væk fra dagligdagen.

Men for forskere er det ikke en trøst – det er en udfordring!

For kan det virkelig være rigtigt at kvantemekanikkens fænomener er forbeholdt den mikroskopiske verden? Altså den som vi ikke kan se og erfare med det blotte øje? Hvad er der egentlig i vejen for, at store ting også kan være i en såkaldt superpositionstilstand af død-og-levende, her-og-der, op-og-ned og så videre?

De spørgsmål er omdrejningspunktet for et nyt forskningsprojekt på DTU Fysik. Hvis projektet faktisk lader sig gøre, vil det ikke blot være endnu en fjer i hatten til kvantemekanikken - det vil også tvinge os til at ændre vores opfattelse af verden og vores syn på, hvad der lader sig gøre og ikke lader sig gøre.

Er katten død eller levende?

Forestil dig en kat indespærret i en kasse sammen med en giftampul, der detoneres af en radioaktiv atomkernes henfald. Venter vi et vist tidsrum, vil henfaldet med 50 procent sandsynlighed have fundet sted – og hvordan har katten det så?

Kvantemekanikken forudsiger, at den er i en superpositionstilstand af at være død og levende. Umiddelbart kan man måske godt forlige sig med den beskrivelse, men det er afgørende at indse, at ’superposition’ ikke betyder, at det er fifty-fifty om katten er død eller levende, og at vi bare er uvidende om, hvorvidt den er det ene eller det andet. Det er altså ikke det samme som at slå plat eller krone og endnu ikke have afsløret resultatet.

Det, kvantemekanikken siger, er, at katten er både død og levende på samme tid. Det er i hvert fald den sædvanlige udlægning. En mere korrekt formulering er nok, at katten simpelthen ikke har en veldefineret klassisk fysisk tilstand, og at der ikke på noget plan findes et svar på spørgsmålet ’Er katten død eller levende?’, inden vi åbner kassen og kigger efter.

Situationen er lige så paradoksal og i strid med den klassiske fysik, hvis katten erstattes med et enkelt mikroskopisk atom, hvor spørgsmålet så lyder, om det er det ene eller det andet sted. Men Erwin Schrödingers ærinde med tankeeksperimentet var at udstille kvantemekanikkens absurditet og ved at inddrage et stort levende objekt, gjorde han det unægteligt endnu mere spektakulært og pirrende – og det er det stadig!

Kan store ting virkelig være to steder på samme tid, hvis kvantefysikken får lov at råde? Eksperimenter verden over taler deres tydelige sprog: fysiske objekter kan godt antage samtidige modstridende egenskaber, så længe vi ikke måler, om de har den ene eller anden egenskab. At vi ikke oplever det med hverdagsting skyldes, at ’store’ objekter konstant indirekte observeres gennem påvirkninger fra omgivelserne.

Derved udviskes de kvantefysiske finurligheder og både-og bliver til enten-eller. Det er med andre ord omgivelserne, der bestemmer, hvor skabet skal stå.

Et regulært videnskabeligt gennembrud

Hvor stort kan et objekt så være og stadig udvise éntydigt kvantemekaniske egenskaber ­– altså som katten, der både er død og levende, indtil vi måler efter? Og hvilke mekanismer udmønter en eventuel begrænsning?

Det er åbne spørgsmål, og de mulige svar er ret tekniske:

Schrödingers kat-tilstande er til dato kun observeret for elektromagnetiske felter og for enkelte atomer, men en nærmest eksplosiv udvikling af det optomekaniske forskningsfelt, der studerer koblingen mellem lys og mekaniske objekter (se artiklen under denne artikel), tegner lovende for, at kvantemekaniske superpositioner også kan realiseres på større skala.

At opnå dette vil være et regulært videnskabeligt gennembrud!

Helt afgørende vil det gøre det muligt at teste, hvorfor vi ikke kan se superpositionstilstande i dagligdagen. Altså hvilke fysiske mekanismer, der er ansvarlige for, at vi hidtil kun har kunnet erfare superpositionstilstande på små partikler i laboratoriet og ikke på større objekter i dagligdagen.

Konkret tester vi en række dekohærensmodeller. Kohærens vil sige, at noget hænger samme. Dekohærens er så, når det ikke hænger sammen. Altså som når katten både er der og ikke er der.

Håbet er, at de tests vil kunne kaste nyt lys over den tilsyneladende grænse mellem kvantefysikkens verden og dagligdagens.

Her skal vi dog nok igen være varsomme med ordvalget. For selvom overgangen mellem kvantemekanikken og den klassiske mekaniks gyldighedsområder traditionelt betegnes ’den kvantisk-klassiske grænse’ – altså hvornår noget opfører sig kvantefysisk, og hvornår noget kan måles med for eksempel Newtons love – er der næppe tale om en helt skarp skillelinje mellem de to regimer af fysikken.

Det bliver en kende teknisk, men en mere realistisk fysisk model vil være, at en eller flere dekohærensmekanismer (f.eks. tyngdekraften) gradvis tager til i styrke for større og større objekter og dermed kollapser superpositionstilstande ned i én ud af et spektrum af mulige veldefinerede klassiske tilstande.

Med andre ord: Katten tvinges til at være det ene frem for det andet.

En Schrödingers kat i større målestok

I 2016 publicerede vores forskningsgruppe i tidsskriftet Physical ReviewLetters et teoretisk arbejde, der viser, at man kan udnytte den optomekaniske vekselvirkning til at bringe et vibrerende mekanisk objekt i en Schrödinger kat-tilstand.

Det forklarer Ulrich Busk Hoff meget mere om i denne video:

Forestil dig membranen i en højttaler. Den kan med sine svingninger variere tætheden af luftens molekyler og derved skabes lydbølger. Vender vi processen om og sender lydbølger ind på membranen, vil strømmen af regioner med overtryk og undertryk, der udgør lydbølgen, henholdsvis skubbe og trække i membranen og derved sætte den i bevægelse.

Men hvordan ville membranen reagere, hvis den blev udsat for et øjeblik af undertryk og overtryk samtidigt? Det er netop det, vi vil gøre i eksperimentet – bare med lys og et meget mindre mekanisk objekt. Resultatet er, at membranen ender i en overlejret tilstand af to modsatte svingningsfaser – en makroskopisk superpositionstilstand, hvor den er både det ene og det andet på samme tid.

Det kan være vanskeligt nok at danne sig et ’teoretisk’ billede af processen, men den praktiske virkelighed er desværre mindst lige så udfordrende.

Konkret kan man overføre en Schrödinger kat-tilstand for lys til et mekanisk objekt. Det vil eksempelvis sige, at laserlys, der har to forskellige lysstyrker samtidigt, overføres til det mekaniske objekt, således at det, der fra begyndelsen var en superposition af to lysstyrker, ender som en superposition af to forskellige mekaniske udsving.

En betingelse for, at det lader sig gøre, er, at koblingen mellem lys og mekanik er så kortvarig, at den mekaniske bevægelse effektivt er frosset og står stille, mens vekselvirkningen finder sted.

Under de omstændigheder påvirkes den mekaniske svingning samtidigt af den optiske kats to forskellige lysstyrker og skubbes derved samtidigt til to forskellige positioner i sit svingningsforløb.

For at forsøget kan lykkes kræver det, at en række ganske særlige betingelser er opfyldt:

• først og fremmest skal der frembringes optiske Schrödinger kat-tilstande.
• dernæst skal den optomekaniske vekselvirkning times helt præcist i forhold til den mekaniske svingning (mere om optomekanik i artiklen under denne).
• endelig skal den mekaniske oscillator være af virkelig høj kvalitet for at give tid til både af frembringe og verificere superpositionstilstanden, inden svingningen dør ud.

I det nye forskningsprojekt er det netop de udfordringer, vi tager kampen op imod. Konkret benytter vi ganske små trampolinlignende mekaniske objekter af silicium nitrid (Si₃N₄), bestående af en central kvadratisk membran med en sidelængde på 100 mikrometerforbundet til en fast ramme med fire ben, der er 5 mikrometer bredde og bare 50 nanometer tykke (se figur 1).

Benene er trampolinens fjedre, der gør det muligt for membranen af svinge op og ned – i dette tilfælde med en frekvens på ca. 160 kilo-Hertz og dermed noget kun hurtigere end en gængs havetrampolin.

Kræver ekstremt kontrollerede forhold

Fremstilling af mekaniske objekter på mikro- og nanoskala kræver de samme højteknologiske fabrikationsprocesser, som når man producerer mikroprocessorer i computerindustrien. På DTU har vi i kraft af DTU Danchip heldigvis adgang til renrumsfaciliteter og fabrikationsudstyr i international topklasse, der hjælper os til kvante-optomekanisk forskning og med vores kvanteteknologier.

I teorien er fremstillingen af trampolinerne ret simpel. Men i praksis kræver det ekstremt kontrollerede forhold at skabe et produkt i nanometerskala, der har de ønskede egenskaber.

Processen begynder med, at et lag af silicium nitrid med den ønskede tykkelse deponeres på en standard silicium wafer – en tynd skive af silicium mage til dem, der også bruges til for eksempel mikrochips.

I silicium nitrid kan vi opnå en meget høj materialespænding, som gør det muligt at lave oscillatorer med en høj kvalitet. Derved dæmpes den mekaniske svingning langsomt, hvilket gør det muligt at måle og verificere superpositionstilstanden, inden svingningen dør ud.

Selve trampolinstrukturen afbildes derefter litografisk ved at belyse en maske med ultraviolet lys henover waferen og lade skyggebilledet eksponere et omrids af trampolinen i en pålagt fotoresist. I den belyste del af fotoresisten sker der en kemisk omdannelse af materialet, således at kun den ikke-belyste del af fotoresisten står tilbage efter en kemisk 'fremkaldelsesproces'.

Derpå fjerner vi med ætsning de dele af nitriden, der ikke er beskyttet af overliggende fotoresist, og så står den ønskede trampolinstruktur tilbage. I et sidste trin frigøres trampolinen ved at ætse hele vejen igennem den underliggende silicium wafer (se mere om alt dette i videoen under afsnittet: Et regulært videnskabeligt gennembrud).

Det skal være koldt!

Set gennem kvantemekanikkens briller er der aldrig noget, der står helt stille eller er i komplet hvile. Selv i den kvantemekaniske grundtilstand er der altid kvantestøj (også kaldet nulpunktsfluktuationer) – det kræver Heisenbergs ubestemthedsrelation.

Det gælder også for mekaniske objekter som de trampoliner, vi beskæftiger os med her. Deres kvantestøj svarer til svingninger på størrelse med diameteren af en atomkerne og er selvsagt umådeligt svære at observere.

For at kunne opløse dem skal man først kæmpe sig vej ned igennem et tykt lag af termisk støj, der skyldes, at trampolinen konstant bombarderes af partikler fra omgivelserne.

Jo højere temperaturen af omgivelserne er, desto kraftigere er den termiske støj i mekanikken. Hvis man har ambitioner om at bringe et makroskopisk objekt i en superpositionstilstand, er det endnu en udfordring, der skal overvindes. Det er nemlig en forudsætning, at objektet først bringes tæt på sin grundtilstand.

Derfor vil vores eksperiment komme til at foregå i en kryostat (et apparat, der netop muliggør ekstremt lave temperaturer ved at være isoleret fra omverdenen), hvor vi kan få en temperatur på blot få milli-Kelvin (dvs. tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt på -273,15°C).

Selv ved så lav en temperatur vil vores trampolin-oscillatorer stadig være exciteret af titusindvis af vibrationskvanter (fononer), der er de mindste enheder af mekanisk vibration. I den kvantemekaniske grundtilstand er der i gennemsnit langt under én fonon.

Med en beskeden vægt på bare ét nanogram er trampolinen stadig et godt stykke fra dagligdagens dimensioner, men sammenlignet med et enkelt atom, er det en ordentlig kleppert – stor nok til at kunne ses med det blotte øje og i den forstand makroskopisk.

»No pain, no gain«

For en kvantefysiker er der ikke meget, der kan overgå udsigten til at studere nogle af kvantemekanikkens mest fundamentale aspekter. Omvendt er det også et af de mere risikable projekter af give sig i lag med.

Vi har unægteligt en lang række af tekniske udfordringer og givetvis en tilsvarende mængde af uforudsete problemer foran os. Men fælles for dem alle er, at løsningsprocessen vil give os værdifuld ny viden og færdigheder til at tæmme kvantefysikken.

Projektets forskningsmæssige målsætning er åbenlyst af grundforskningsmæssig karakter, men det samlede udbytte vil i lige så høj grad være relevant for vores sideløbende arbejde med udvikling af moderne kvanteteknologier. Derfor er vi trods lidt gyngende grund og udsigten til flere grå hår fortrøstningsfulde, humøret er højt, og der er masser af gåpåmod.

Forskningsprojektet er muliggjort af en bevilling fra Villum Fonden og vil blive videreført under Danmarks Grundforskningsfonds bevilling til Center for Macroscopic Quantum States under ledelse af professor Ulrik L. Andersen, DTU Fysik.