Nobelpris i fysik for opfindere af kvantefælder

Prisvindere har for første gang gjort de mindste partikler målelige og manipulerbare

Atomer og fotoner overholder også deres egne love i kvanteverdenen. © Forschungszentrum Jülich
læst op

Dette års nobelpris i fysik går til to kvantefysikere, der for første gang har gjort kvanta - de mindste partikler af stof - målbare og manipulerbare. Franskmanden Serge Haroche og amerikaneren David Wineland udviklede specielle fælder, hvor individuelle atomer og partikler af lys kan indfanges, manipuleres og måles. Dette blev tidligere betragtet som umuligt.

I kvanta, atomer og lyspartikler er der deres egne love. For eksempel er en partikel på ingen måde altid og overalt en partikel, men kan opføre sig som en bølge. Omvendt kan lys og andre bølger også reagere som partikler. Men ikke kun arten af ​​et objekt i kvanteverdenen er tvetydig, det nægter også at være forpligtet til et sted. Denne såkaldte "slør" opdaget af fysikeren Werner Heisenberg i 1920 betyder, at den konkrete placering af kvante kun kan estimeres som sandsynlighed. I ekstreme tilfælde kan en partikel endda være lige sandsynligvis to steder - dens to mulige tilstande overlejres, som kvantefysikere siger.

Denne superposition resulterer også i det store dilemma i alle kvantefysiske eksperimenter: hver måling i kvanteverden ødelægger partiklens superposition og ændrer dens egenskaber - sammenlignelig med et håndaftryk i fugtig ler, der forvrænger den oprindelige form. Derfor er det længe blevet betragtet som umuligt at måle de kvante fysiske egenskaber hos atomer eller lyspartikler - fotoner. Serge Haroche og David Wineland lykkedes imidlertid uafhængigt at konstruere fælder til at fælde og undersøge kvanta i deres superpositionstilstand.

Sådan fungerer Winelands ionfælde: Berylliumioner fanges af elektriske felter genereret af elektroder og manipuleres med laserlys © Nobel Foundation

Vibrerende partikel i elektrisk kasse

Til deres fælde startede David Wineland og hans kolleger ved University of Colorado i Boulder oprindeligt fra tanken om, at ladede partikler kunne fanges af elektriske felter. For eksempel, da de samme ladninger afviser hinanden - som en magnet - forhindrer en positiv elektrisk barriere, at en positiv partikel passerer gennem dem. Forskerne fangede berylliumioner på denne måde i en fælde. I et sådant tilfælde er der et vakuum for at udelukke forstyrrelser.

Den fangede partikel står dog ikke stille, men vibrerer hurtigere eller langsommere afhængigt af dens energiindhold. Hastigheden på disse vibrationer ændres ikke problemfrit. I stedet for, afhængigt af energiindholdet, hopper partiklen ind i forskellige stadier. Winelands fælde bruger nu laserstråler til at tilføje atomet nok energi til at ligge mellem to sådanne stadier. Det skaber en overlay, fordi begge faser nu er lige sandsynlige. Energien, der leveres af laseren, og atomets vibrationer kan måles - og dermed også de fastlagte partiklers kvantefysiske egenskaber. Princippet om denne fælde bruges i dag for eksempel til at konstruere ekstremt nøjagtige atomure, hvor vibrationer af en fanget ion fungerer som en timer. udstilling

Princip for Photon Trap af Haroche: Superledende niob-spejle fanger en mikrobølgefoton omkring en tiendedel af et sekund. I løbet af denne tid sendes et Rydberg-atom gennem hulrummet. Hvis dens tilstand er ændret ved udgangen, kan det aflæses, om en foton var eller ikke var i fælden. Nobel Foundation

Foton mellem to spejle

Serge Haroche og hans hold fra Coll gege de France og Ecole Normale Sup rieure i Paris tog en anden tilgang. I stedet for laserlys og elektriske felter brugte de små spejle lavet af et superledende materiale som en fælde. Ved temperaturer lige over absolut nul reflekteres disse spejle så stærkt, at en mikrobølgefoton kastes frem og tilbage mellem dem i en tiendedel af et sekund ved brudhastighedens hastighed. Fotonen dækker mindst 40.000 kilometer - en gang rundt om i jorden.

Når fotonen springer og grænser i fælden, får Haroche og hans kolleger individuelle atomer til at krydse partiklenes bane. Disse såkaldte Rydberg-atomer er omkring tusind gange større end normale atomer og ligner små ringe eller donuts. Hvis en sådan donut krydser fælden, interagerer den med fotonen - dens kvantetilstand ændres. Når de forlader fælden, kan forskerne måle denne ændring for at bestemme, at en foton er i fælden. På denne måde lykkedes det først at holde og måle en enkelt foton i en fælde uden at ødelægge den.

"Nobelprisvinderne har åbnet en dør til en ny æra med kvantefysiske eksperimenter, " skriver Nobelkomiteen i sin erklæring. Deres metoder gør det nu muligt at fange, undersøge og manipulere individuelle partikler.

Mere om Nobelpriser 2012 i scinexx

(Nobel Foundation, 09.10.2012 - NPO)