Hypersoniske stofbølger til ultrahurtig atomtronik

Atomtronics manipulerer atomer meget på den måde, som elektronik manipulerer elektroner. Det bærer løftet om meget kompakte kvanteenheder, som kan måle utroligt små kræfter eller små rotationer. Sådanne enheder kan en dag blive brugt til at overvåge Jordens status ved at fornemme vandstanden i ørkenen eller i søgen efter mineraler og olie. De vil også blive brugt i navigation, når GPS fejler på fly eller skibe på grund af ondsindede angreb eller simpelthen fordi den ikke er tilgængelig, f.eks. i det dybe hav. De kan også en dag fungere som bærbare kvantesimulatorer, der løser komplekse beregningsopgaver.

Kohærent atomtronik manipulerer atomer i form af stofbølger, der stammer fra Bose-Einstein-kondensater (en stoftilstand, hvor alle atomerne mister deres individuelle identitet og bliver til én enkelt kvantetilstand, hvor alle atomerne er overalt i kondensatet på samme tid). Atomerne i disse stofbølger opfører sig meget mere som bølger frem for individuelle partikler. Disse stofbølger kan bringes til at forstyrre og dermed få dem til at reagere på de mindste ændringer i deres miljø, såsom forskellen i tyngdekraften mellem let organisk materiale og tung jernmalm. Sammenlignet med lys, atomer kan være 10 milliarder gange mere følsomme, f.eks. til rotation eller acceleration, sammenlignet med de fotoner, der udgør lys. Denne følsomhed afhænger af måletiden og - ligesom Newtons æble - falder atomer på grund af Jordens tyngdekraft. Dette tvinger de mest følsomme interferometre til at være meget høje, når 10 meter og i nogle tilfælde endda 100 meter. Den mulige løsning ville være at lede atomerne i stofbølgeledere, meget ligesom optiske fibre guide lys. Desværre, det faktum, at de er så følsomme over for acceleration, gør dem ekstremt følsomme over for eventuelle defekter i matterwave-guiderne. Det er derfor, indtil for nylig, imidlertid, der var ingen egnede bølgeledere til atomer. Årsagen er, at stofbølger er ekstremt følsomme over for glatheden.

Et internationalt hold af videnskabsmænd på Kreta (Grækenland) ledet af Wolf von Klitzing har taget et skridt mod små, superfølsomme atomtroniske enheder ved at demonstrere den første sammenhængende acceleration og transport af stofbølger i atomtroniske bølgeledere. Gennembruddet for forskerne ved IESL-FORTH er, at de brugte en kombination af magnetiske felter ved forskellige frekvenser til at producere såkaldte tidsgennemsnitlige adiabatiske potentialer (TAAP). For at bevise, at disse matterwave-guider er perfekt glatte, de konstruerede en acceleratorring i mm-størrelse til neutrale stofbølger, meget som den km-store CERN-accelerator til ladede partikler. Materiebølgerne nåede hypersoniske hastigheder, der oversteg Mach 16 (én mach =lydhastighed) og styrede stofbølgerne i mere end 40 cm - en forbedring på mere end en faktor 1000 sammenlignet med den tidligere rekord.

De tekniske udfordringer med at klargøre kvanteteknologier til applikationer i den 'virkelige verden' er stadig enorme. TAAP-bølgelederne fra Natur papir udgør et vigtigt skridt i den retning. Det kretensiske matterwaves-team vil bruge denne mini-CERN-lignende acceleratorring til at studere fundamentale fysikspørgsmål såsom de superfluid-egenskaber af Bose Einstein-kondensat og atomare kollisioner. I den nærmeste fremtid, de planlægger at konstruere et mm-størrelse atomtronisk gyroskop og tyngdekraftssensor baseret på ringen.