Her skyter en av de tre forskergruppene som har testet en over 30 år gammel teori en blå laser inn mot en sky av atomer. Når atomene gjøres kaldere, skjer det mindre lysspredning, og atomene blir dermed usynlige.
Her skyter en av de tre forskergruppene som har testet en over 30 år gammel teori en blå laser inn mot en sky av atomer. Når atomene gjøres kaldere, skjer det mindre lysspredning, og atomene blir dermed usynlige.

Kvanteteori observert for første gang:
Iskalde atomer «blokkerer» lys

Dansk forsker står bak et av eksperimentene som stopper lysspredning med et såkalt Fermi-hav.

Lyset er overalt.

Det flyr rundt i bølger hele tiden, og støter fotoner på en blokk av atomer – hånden din eller et glass melk – skjer en såkalt lysspredning.

Lysspredningen er den universelle årsaken til at du kan se og skille ting fra hverandre. Når himmelen ser blå ut, er det for eksempel fordi lyset fra solen støter på en masse luftmolekyler i atmosfæren som sprer blått lys.

Nå har forskere første gang blokkert spredningen av lys i små skyer av gass, framgår det av hele tre studier som nettopp er publisert i Science.

Bak et av eksperimentene står den danske fysikeren Niels Kjærgaard, som er professor ved University of Otago på New Zealand.

– Alle synlige ting sprer lys. Det er slik vi ser dem. Grunnen til at et glass med melk er hvitt, er at det skjer en lysspredning. Hvis det ikke skjer en lysspredning, vil melken bare være helt klar og i prinsippet være usynlig, forklarer Kjærgaard.

– Vi har kunnet blokkere denne lysspredningen med gassatomer, og det er en stor nyhet i fysikkretser, sier han.

På sikt kan oppdagelsene ha betydning for utviklingen av kvantedatamaskiner, atomur og annen kvanteteknologi. Det vender vi tilbake til.

At nyheten er stor, bekrefter Georg Bruun, professor i fysikk ved Aarhus Universitet i Danmark. Han har ikke vært involvert i de nye studiene.

– Lys sprer seg fordi fotoner vekselvirker med atomer. Men hvis man kan lære å kontrollere denne vekselvirkningen mellom atomer og fotoner, åpner det på lang sikt for mange muligheter. Det er nettopp det de har klart i disse eksperimentene, sier Bruun.

– Det er imponerende. Teorien bak forsøkene har vært kjent lenge og bygger på grunnleggende kunnskap om fysikk. Men eksperimentelt er studiene en tour de force. Så det er et veldig flott arbeid, mener Bruun.

– Spiser kirsebær med de store

Bak en av de tre nye studiene står en forskningsgruppe fra MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, som ledes av Wolfgang Ketterle, som mottok nobelprisen i fysikk i 2001.

Den andre forskergruppen ledes av Jun Ye fra University of Colorado, som nylig har vunnet den prestisjetunge Breakthrough Prize i grunnfysikk.

– Vi er underdogs i dette. Så for oss er det stort at vi kan spise kirsebær med de store. Og de eksperimentene vi har prestert, har ikke vært noe dårligere, mener Niels Kjærgaard, som har gjennomført studien med kollegaen Amita Deb.

Niels Kjærgaard (til høyre) og Amita Deb (til venstre) foran sitt kompliserte forsøksutstyr. De to fysikerne fra University of Otago på New Zealand har publisert forskningen sin i selskap med noen av verdens mest anerkjente fysikere.
Niels Kjærgaard (til høyre) og Amita Deb (til venstre) foran sitt kompliserte forsøksutstyr. De to fysikerne fra University of Otago på New Zealand har publisert forskningen sin i selskap med noen av verdens mest anerkjente fysikere.

Fermi-hav blokkerer lysspredning

De nye forsøkene bekrefter en over 30 år gammel teori som går ut på at en spesiell gruppe kvantemekaniske atomer – såkalte fermioner – kan arrangeres på en måte som gjør at lysspredningen svekkes eller forsvinner helt.

Selv om du kanskje ikke har hørt om fermioner før, er de ganske normale – protoner, nøytroner og elektroner er for eksempel også fermioner.

Hvis du kjøler ned en samling av fermioner, vil de arrangere seg på en systematisk og tettpakket måte som gjør at de ikke vekselvirker med fotoner og dermed ikke skaper lys.

Fysikere kaller tilstanden for et Fermi-hav.

– Fermion-atomer i en gass beveger seg under normale omstendigheter tilfeldig og uforutsigbart. Men hvis man kjøler ned fermionene nok og skaper et Fermi-hav, vil en kvantemekanisk ordning innfinne seg og bevegelsene reduseres, forklarer Kjærgaard.

Når lysets fotoner beveger seg gjennom en blokk av fermioner i normal tilstand, vil det støte på dem fordi de nettopp beveger seg uforutsigbart og tilfeldig. Det vil skape en del lysspredning på grunn av vekselvirkningen mellom fotonene og fermionene.

Men hvis fotonene beveger seg gjennom det ordnede Fermi-havet, vil de passere igjennom fordi fermionene lysspredning ville bryte med den ordningen som kvantemekanikken dikterer.

Vekselvirkningene mellom fotoner og atomene som skaper lysspredning, blir derfor undertrykket. Forskerne sier derfor at de har «blokkert» lysspredningen.

Se grafikken her:

Øverste tegning viser hvordan en laserstråle skytes gjennom et vakuum uten atomer. Her skjer det ingen lysspredning. Midterste tegning viser hvordan en laserstråle skytes gjennom en vanlig gass. Her støter fotonene samme med atomene, og det skjer en lysspredning. Nederste tegning viser en laserstråle som skyter gjennom et Fermi-hav der atomene er så tette at det ikke skjer noen lysspredning.
Øverste tegning viser hvordan en laserstråle skytes gjennom et vakuum uten atomer. Her skjer det ingen lysspredning. Midterste tegning viser hvordan en laserstråle skytes gjennom en vanlig gass. Her støter fotonene samme med atomene, og det skjer en lysspredning. Nederste tegning viser en laserstråle som skyter gjennom et Fermi-hav der atomene er så tette at det ikke skjer noen lysspredning.

Tre forsøk støtter funnet

De nye eksperimentene er ifølge Georg Bruun «imponerende og ekstremt komplekse». Men forsøkene er faktisk enkle å forstå.

Denne grafikken er en forenklet tegning av forsøkene:

Bilde B viser hvordan lyset spres i mye mindre grad når det passerer gjennom et Fermi-hav. Forskerne kaller også effekten for en Pauli-blokkering fordi det skjer på grunn av det kvantemekaniske prinsippet kjent som Paulis eksklusjonsprinsipp.
Bilde B viser hvordan lyset spres i mye mindre grad når det passerer gjennom et Fermi-hav. Forskerne kaller også effekten for en Pauli-blokkering fordi det skjer på grunn av det kvantemekaniske prinsippet kjent som Paulis eksklusjonsprinsipp.

De røde prikkene er en samling av gass-fermioner som forskerne har holdt i magnetiske feller. Forskerne har skutt en inn laser mot fermionene under ulike temperaturer og observert hva som skjer.

Bilde A viser se hvordan lyset fra laseren sprer seg og gjøres synlig. Lysspredningen skjer fordi fermionene ikke er kjølt nok ned til å skape et Fermi-hav.

Forskerne har også kjølt ned gassfermionene og skapt et Fermi-hav. Bilde B viser hvordan lyset spres mindre, og det skaper mindre lys.

De tre forskningsgruppene har så brukt ulike gasser som de har gjennomført forsøkene på.

  • Niels Kjærgaard og kollegaen hans har gjennomført forsøket med såkalte kalium-fermioner, som har en relativ høy masse
  • MIT-gruppen med nobelprisvinneren Wolfgang Ketterle i spissen har gjennomført forsøket med litium – den letteste gassen som finnes
  • Og gruppen fra University of Colorado har gjennomført forsøket med strontium, det er enda tyngre enn kalium

Til syvende og sist viser forsøkene imidlertid det samme: At et Fermi-hav i praksis kan brukes til å blokkere lysspredning, og at jo kaldere fermionene er, desto mindre lysspredning vil det være.

Kan forbedre kvantedatamaskiner i framtiden

Og hva kan det brukes til?

Forsøkene her er grunnforskning, og vi kan ikke overføre innsiktene til noe som du og jeg merker i hverdagen vår. Ikke enda.

Men det kan få mye å si, påpeker Niels Kjærgaard. Til syvende og sist kan blokkering av lysspredning brukes til å forbedre kvantedatamaskiner, atomur og annen kvanteteknologi.

– Kvanteteknologi er ekstremt sårbart overfor ytre omstendigheter – for eksempel lys. Så hvis man kan bremse eller blokkere lysspredningen på denne måten, vil det på sikt kunne beskytte kvanteteknologier og gjøre dem enda mer effektive, mener Kjærgaard.

Georg Bruun er enig i at resultatene på sikt kan brukes til å forbedre komponenter i kvanteteknologi.

– Det er fortsatt spekulativt, legger han til.

P– Men på det teknologiske og eksperimentelle planet åpner studiene for at kvanteteknologien på sikt kan gjøres mer effektiv.

Referanser:

Amita B. Deb og Niels Kjærgaard: Observation of Pauli blocking in light scattering from quantum degenerate fermions. Science, 2021. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.abh3470

Christian Sanner mfl.: Pauli blocking of atom-light scattering. Science, 2021. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.abh3483

Yair Margalit mfl.: Pauli blocking of light scattering in degenerate fermions. Science, 2021. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.abi6153

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS