Vild kvanteteori observeret for første gang: Iskolde atomer 'blokerer' lys
Dansk forsker står bag ét af eksperimenterne, der stopper lysspredning med et såkaldt Fermi-hav.
fermioner atomer fotoner lysspredning fysik kvantemekanik kvantefysik kvante

Her skyder én af de i alt tre forskergrupper, der har påvist en over 30 år gammel teori, en blå laser ind mod en sky af atomer. Når atomerne gøres koldere, sker der mindre lysspredning, og atomerne bliver dermed usynlige. (Foto: Christian Sanner, Ye labs/JILA)

Her skyder én af de i alt tre forskergrupper, der har påvist en over 30 år gammel teori, en blå laser ind mod en sky af atomer. Når atomerne gøres koldere, sker der mindre lysspredning, og atomerne bliver dermed usynlige. (Foto: Christian Sanner, Ye labs/JILA)

Lyset er overalt. 

Det flyver rundt i bølger konstant, og støder lysets fotoner på en blok af atomer - din hånd eller et glas med mælk - spreder det sig, og der sker en såkaldt lysspredning. 

Lysspredningen er den universelle årsag til, at du kan se og skelne ting fra hinanden. Når himlen ser blå ud, er det eksempelvis, fordi lyset fra Solen støder på en masse luftmolekyler i atmosfæren, der spreder blåt lys.

Nu har forskere for første gang nogensinde blokeret spredningen af lys i små skyer af gas, fremgår det af hele tre studier, der netop er publiceret i Science.

Bag ét af eksperimenterne står den danske fysiker Niels Kjærgaard, der er professor ved University of Otago i New Zealand.

»Alle synlige ting spreder lys. Det er sådan, vi ser dem. Grunden til, at et glas med mælk er hvidt, er, at der sker en lysspredning. Hvis der ikke sker en lysspredning, vil mælken bare være helt klar og i princippet være usynlig,« forklarer Niels Kjærgaard, da Videnskab.dk fanger ham fra det newzealandske.

»Vi har været i stand til at blokere denne lysspredning med gasatomer, og det er en stor nyhed i fysik-kredse,« siger han. 

På sigt kan opdagelserne have betydning for udviklingen af kvantecomputere, atomure og anden kvanteteknologi. Det vender vi tilbage til. 

At nyheden er stor, bekræfter Georg Bruun, professor i fysik på Aarhus Universitet. Han har ikke været involveret i de nye studier, men læst dem for Videnskab.dk.

»Lys spreder sig, fordi fotoner vekselvirker med atomer. Men hvis man kan lære at kontrollere denne vekselvirkning mellem atomer og fotoner, åbner det på lang sigt for mange muligheder. Det er netop det, de er lykkedes med i disse eksperimenter,« siger Georg Bruun og fortsætter:

»Det er imponerende. Teorien bag forsøgene har været kendt længe og bygger på grundlæggende viden om fysik. Men eksperimentelt er studierne en tour de force. Så det er et meget flot arbejde,« lyder det fra Georg Bruun.

»Spiser kirsebær med de store«

Danske Niels Kjærgaard er da også i fint selskab. 

Bag ét af de tre nye studier står en forskningsgruppe fra MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, der ledes af Wolfgang Ketterle, som modtog Nobelprisen i fysik i 2001. 

Den anden forskergruppe ledes af Jun Ye fra University of Colorado Boulder, der netop har vundet den prestigefyldte Breakthrough Prize i grundfysik. 

»Vi er sådan lidt underdogs i det her. Så for os er det stort, at vi kan spise kirsebær med de helt store. Og de eksperimenter, vi har præsteret, har ikke været ringere end deres,« lyder det fra Niels Kjærgaard, der har lavet studiet med sin kollega Amita Deb.

Amita Deb Niels Kjærsgaard Otago University fysik forsøg fotoner lys spredning lysspredning blokade

Niels Kjærgaard (til højre) og Amita Deb (til venstre) foran deres komplicerede forsøgsudstyr. De to fysikere fra University of Orago i New Zealand har publiceret deres forskning i selskab med nogle af verdens mest anerkendte fysikere (Foto: University of Otago).

Fermi-hav blokerer for lysspredning

Forsøgene, som de tre forskningsgrupper hver især har gennemført, bekræfter en over 30 år gammel teori, der går ud på, at en særlig gruppe kvantemekaniske atomer - såkaldte fermioner - kan arrangeres på en måde, så der sker ingen eller meget lidt lysspredning. 

Selvom du måske ikke har hørt om fermioner før, er de ret normale - protoner, neutroner og elektroner er eksempelvis også fermioner.

Hvis du nedkøler en samling af fermioner, vil de arrangere sig på en systematisk og tætpakket måde, der gør, at de ikke vekselvirker med fotoner og dermed ikke skaber lys.

Fysikere kalder tilstanden for et Fermi-hav.

»Fermioniske atomer i en gas bevæger sig under normale omstændigheder tilfældigt og uforudsigeligt rundt. Men hvis man køler fermionerne tilstrækkeligt ned og skaber et Fermi-hav, vil en kvantemekanisk ordning indfinde sig og gassens fluktuationer (udsving, red.) reduceres,« forklarer Niels Kjærgaard.

Når lysets fotoner bevæger sig gennem en blok af fermioner i normal tilstand, vil det støde på dem, fordi de netop bevæger sig uforudsigeligt og tilfældigt. Det vil skabe en del lysspredning på grund af vekselvirkningen mellem fotonerne og fermionerne.

Men hvis lysets fotoner bevæger sig gennem det ordnede Fermi-hav, vil fotonerne stryge igennem, da fermionerne er så tætte og ikke kan sprede lys til siden, fordi det ville bryde med den ordning, som kvantemekanikken dikterer.

Vekselvirkningerne mellem fotoner og atomerne, der skaber lysspredning, bliver derfor undertrykt. Forskerne siger derfor, at de har ‘blokeret’ lysspredningen.

Se grafikken her:

Øverste tegning viser, hvordan en laserstråle skydes igennem et vakuum uden atomer. Her sker der ingen lysspredning. Midterste tegning viser, hvordan en laserstråle skydes igennem en normal atomar gas. Her støder laserens fotoner samme med atomerne, og der sker en lysspredning. Nederste tegning viser en laserstråle, der skyder gennem et Fermi-hav, hvor atomerne er så tætte, at der ikke sker nogen lysspredning. (Tegning til Videnskab.dk af Niels Kjærgaard)

Tre forsøg bakker op om fundet

Niels Kjærgaard og kollegernes eksperimenter er med Georg Bruuns ord »imponerende og ekstremt komplekse«. Men forsøgene er faktisk simple nok at forstå. 

Se grafikken her, som er en forsimplet tegning af forsøgene:

Paulis udelukkelsesprincip fotoner fermioner fermi-hav kvantemekanik

Du kan på billede B se, hvordan lyset spredes i meget mindre grad, når det skyde igennem et Fermi-hav. Forskerne kalder også effekten for en Pauli-blokering, fordi effekten sker på grund af det kvantemekaniske princip kendt som Paulis udelukkelsesprincip. (Tegning: Niels Kjærgaard).

De røde prikker er en samling af gas-fermioner, som forskerne hver især har fastholdt i magnetiske fælder. Forskerne har skudt en laser ind mod fermionerne under forskellige temperaturer og observeret, hvad der sker. 

Du kan på billede A se, hvordan lyset fra laseren spreder sig og gøres synligt. Lysspredningen sker, fordi fermionerne ikke er kølet nok ned til at skabe et Fermi-hav.

Forskerne har også kølet gasfermionerne ned og skabt et Fermi-hav. Du kan se på billede B, hvordan lyset spredes mindre, og det skaber mindre lys. 

De tre forskningsgrupper har så brugt forskellige gasser, som de hver især har gennemført ovenstående forsøg på.

  • Niels Kjærgaard og hans kollega har lavet forsøget med såkaldte kalium-fermioner, der har en relativ høj masse
  • MIT-gruppen med nobelpris-vinderen Wolfgang Ketterle i spidsen har lavet forsøget med lithium - den letteste gas, der findes
  • Og den sidste gruppe fra University of Colorado Boulder har lavet forsøget med strontium, der er endnu tungere end kalium

I sidste ende viser forsøgene dog det samme: At et Fermi-hav i praksis kan bruges til at blokere lysspredning, og at jo koldere fermionerne er, desto mindre lysspredning vil der være.

Kan forbedre kvantecomputere i fremtiden

Og hvad kan det så bruges til? 

Forsøgene her er nørdet fysik til den store guldmedalje, og vi kan ikke direkte overføre indsigterne til noget, som du og jeg kender fra vores hverdag. Ikke endnu, i hvert fald. 

Perspektiverne er dog store, påpeger Niels Kjærgaard. I sidste ende kan blokaden af lysspredning bruges til at forbedre kvantecomputere, atomure og anden kvanteteknologi.

»Kvanteteknologi er ekstremt skrøbelig overfor ydre omstændigheder - eksempelvis lys. Så hvis man kan bremse eller blokere lysspredningen på den her måde, vil det på sigt kunne beskytte kvanteteknologier og gøre dem endnu mere effektive,« lyder det fra Niels Kjærgaard.

Georg Bruun er enig i, at resultaterne på sigt kan bruges til at forbedre komponenter i kvanteteknologi. 

»Det er stadig spekulativt,« tilføjer han. »Men på det teknologiske og eksperimentelle plan åbner studierne for, at kvanteteknologien på sigt kan gøres mere effektiv.«

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.