Chalmers fångar atomljud

Forskare vid Chalmers är först med att visa att man kan använda ljud för att kommunicera med en konstgjord atom. Därmed kan de demonstrera kvantfysiska fenomen med ljud i stället för ljus. Resultaten publiceras i tidskriften Science.

Att enskilda atomer växelverkar med ljus är välkänt och har studerats ingående inom området kvantoptik. Växelverkan med ljud har däremot varit mycket svårare att åstadkomma. Chalmersforskarna har nu lyckats med ett experiment där akustiska vågor kopplar till en konstgjord atom. Studien är ett samarbete mellan experimentella och teoretiska fysiker.

– Vi har öppnat en ny dörr till kvantfysikens värld, där vi kan lyssna till och prata med atomer, säger Per Delsing, ledare för den experimentella forskargruppen. Vår långsiktiga strävan är att tämja kvantfysiken så att vi kan dra nytta av dess lagar, till exempel i extremt snabba datorer. Det gör vi genom att designa elektriska kretsar som följer kvantlagarna och som vi själva kan styra och studera.

En konstgjord atom är ett exempel på en sådan kvantfysisk elektrisk krets. Precis som en naturlig atom kan man ladda upp den med energi, som den sedan skickar ut i form av en partikel. Vanligtvis rör det sig om en ljuspartikel, men i Chalmers-experimentet är atomen i stället designad för att ta emot och skicka ut energi i form av ljud.

– Enligt teorin är ljudet från atomen uppdelat i enskilda kvantpartiklar, säger Martin Gustafsson, som är artikelns försteförfattare. En sådan partikel är det svagaste ljud som kan detekteras.

Eftersom ljudet rör sig mycket långsammare än ljuset erbjuder den akustiska atomen helt nya möjligheter att ta kontroll över kvantfysiken.

– I och med att ljud rör sig så långsamt får vi tid på oss att styra kvantförloppen medan de pågår. Det är svårt att göra med ljus, som rör sig 100 000 gånger så snabbt, säger Martin Gustafsson i ett pressmeddelande.

Ljudets låga hastighet betyder också att det har kort våglängd jämfört med motsvarande ljus. En atom som växelverkar med ljus är alltid mycket mindre än ljusvåglängden. Jämfört med ljudets våglängd är atomen i stället väldigt stor, och det gör att man kan kontrollera dess egenskaper bättre. Till exempel kan man designa den för att koppla till vissa akustiska frekvenser och inte andra, eller göra växelverkan med ljudet extremt stark.

Den frekvens som används i experimentet är 4.8 gigahertz, nära de mikrovågor som används i trådlösa nätverk. I musikaliska termer svarar den ungefär mot ett D₂₈, alltså 20 oktaver över den högsta tangenten på ett piano.

Vid så hög frekvens blir våglängden så kort att ljudvågen kan ledas längs ytan på ett mikrochip. På chippet har forskarna tillverkat sin konstgjorda atom, som är ungefär 0.01 millimeter stor och gjord av supraledande material.

Artikeln Propagating phonons coupled to an artificial atom publiceras i tidskriften Science, och finns tillgänglig i online-utgåvan Science Express