Afkøling med det koldeste stof i verden

Fysikere ved universitetet i Basel har udviklet en ny køleteknik til mekaniske kvantesystemer. Ved hjælp af en ultrakold atomgas, vibrationerne i en membran blev afkølet til mindre end 1 grad over det absolutte nul. Denne teknik kan muliggøre nye undersøgelser af kvantefysik og præcisionsmåleapparater, som forskerne rapporterer i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Ultrakolde atomgasser er blandt de koldeste objekter, der findes. Laserstråler kan bruges til at fange atomer inde i et vakuumkammer og bremse deres bevægelse til en krybning, når temperaturer på mindre end 1 milliondel af en grad over det absolutte nul - den temperatur, hvor al bevægelse stopper. Ved så lave temperaturer, atomer overholder kvantefysikkens love:de bevæger sig rundt som små bølgepakker og kan være i en superposition af at være flere steder på én gang. Disse funktioner udnyttes i teknologier såsom atomure og andre præcisionsmålere.

Et ultrakoldt atomkøleskab

Kan disse ultrakølede gasser også bruges som kølemidler, at afkøle andre genstande til meget lave temperaturer? Dette ville åbne mange muligheder for undersøgelse af kvantefysik i nye og potentielt større systemer. Problemet er, at atomerne er mikroskopisk små og selv de største skyer produceret hidtil, som består af flere milliarder ultrakølede atomer, indeholder stadig langt færre partikler end noget så lille som et sandkorn. Som resultat, atomernes kølekraft er begrænset.

Et team af forskere ved University of Basel ledet af professor Philipp Treutlein er nu lykkedes med at bruge ultrakølede atomer til at afkøle vibrationerne i en millimeterstørrelse. Membranen, en siliciumnitridfilm med en tykkelse på 50 nm, svinger op og ned som et lille firkantet tromlehoved. Sådanne mekaniske oscillatorer er aldrig helt i ro, men viser termiske vibrationer, der afhænger af deres temperatur. Selvom membranen indeholder omkring en milliard gange flere partikler end atomskyen, en stærk køleeffekt blev observeret, som afkølede membranvibrationerne til mindre end 1 grad over det absolutte nul.

"Tricket her er at koncentrere hele atomernes kølekraft om membranens ønskede vibrationstilstand, "forklarer Dr. Andreas Jöckel, medlem af projektteamet. Interaktionen mellem atomer og membran genereres af en laserstråle. Som fysikeren forklarer:"Laserlyset udøver kræfter på membranen og atomer. Vibration af membranen ændrer lyskraften på atomerne og omvendt." Laseren overfører køleeffekten over afstande på flere meter, så atomskyen ikke behøver at være i direkte kontakt med membranen. Koblingen forstærkes af en optisk resonator bestående af to spejle, mellem hvilken membranen er klemt.

Det første eksperiment af sin art på verdensplan

Systemer, der bruger lys til at koble ultrakølede atomer og mekaniske oscillatorer, er allerede blevet foreslået teoretisk. Eksperimentet ved universitetet i Basel er det første på verdensplan til at realisere et sådant system og bruge det til at afkøle oscillatoren. Yderligere tekniske forbedringer bør gøre det muligt at afkøle membranvibrationerne til den kvantemekaniske jordtilstand.

For forskerne, afkøling af membranen med atomerne er kun det første trin:"Atomernes velkontrollerede kvantekarakter kombineret med den lysinducerede interaktion åbner nye muligheder for kvantestyring af membranen, "siger Treutlein. Dette kan muliggøre grundlæggende kvantefysiske eksperimenter med et relativt makroskopisk mekanisk system, synlig for det blotte øje. Det kan også være muligt at generere såkaldte sammenfiltrede tilstande mellem atomer og membran. Disse ville tillade måling af membranvibrationer med enestående præcision, hvilket igen kunne muliggøre udvikling af nye slags sensorer til små kræfter og masser.