Niels Bohr-forskere løser 90 år gammelt kvantefysisk problem
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Niels Bohr-forskere løser 90 år gammelt kvantefysisk problem

atomsky membran
Hvis laserlys, der bruges til at måle bevægelse af en vibrerende membran (til venstre), først overføres gennem en sky af atomer (i midten), kan målfølsomheden være bedre end de standardkvantumgrænser, som Bohr og Heisenberg forudså. Foto: Grafik: Leonhardt Strube og Mads Vadsholt - Niels Bohr Institutet

I 1927 fremsatte fysikeren Werner Heisenberg sit ubestemthedsprincippet, der i dag er et af fysikkens fundamentale principper.

Ubestemthedsprincippet vil sige, at ’der findes en grænse for, hvor præcist man kan kende et objekts impuls (dets masse x hastighed) og position på samme tid'.

I vores normale verden har det ingen betydning, men på kvanteniveau, hvor man ved hjælp af mikroskoper måler atomstrukturer og udsendelse af lys, volder det problemer, fordi det skaber en usikkerhed.

Nu har forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet været med til at finde en metode, der 'neutraliserer' princippet, så det bliver lettere at måle bevægelse præcist.

Det vil kunne gøre bevægelsessensorer endnu bedre og måske tilmed løse et problem, som Ligo-eksperimentet med måling af tyngdebølger kæmper med, skriver instituttet i en pressemeddelelse.

Forskningsresultatet er i dag offentliggjort i tidsskriftet Nature.

Foto: Grafik: Niels Bohr Institutet

Sammenstød mellem objekt og fotoner

Ubestemthedsprincippet/usikkerhedsprincippet opstår, når man observerer et objekt gennem et mikroskop, der bruger laserlys.

Læs også: ESA giver grønt lys for rumobservatorium til måling af gravitationsbølger

Lyset ’sparker’ til objektet, fordi lyset består af fotoner, der reflekteres af objektet. Sammenstødet får objekt og fotoner til at flytte sig i tilfældige retninger, kaldet Quantum Back Action (QBA).

Niels Bohr-forskerne har derfor udtænkt en smart forsøgsopstilling, hvor de bruger laserlys til at forbinde en vibrerende membran med cæsiumatomer.

Mikrocelle med atomsky og membran

De har bygget et hermetisk lukket glasbur – en 1 cm lang og 1/3 mm høj og bred mikrocelle – der indkapsler en avanceret atomsky bestående af 100 millioner atomer af grundstoffet cæsium. Cellen er indvendigt behandlet med en parafinblanding.

Læs også: LIGO's banebrydende opdagelser anfægtes af forskere på Niels Bohr Institutet

Udover atomskyen rummer glascellen også en avanceret membran, der måler 0,5 mm i længden og gør det ud for objektet.

Når man sender laserlys ind gennem mikrocellen, rammer det først atomskyen og først derefter membranen.

»Resultatet bliver, at laserlysets fotoner ’sparker’ til både objektet – altså membranen - og til atomskyen, og disse spark udligner så at sige hinanden. Dermed er der ikke længere nogen Quantum Back Action, og heller ingen begrænsninger når det gælder den nøjagtighed, der kan måles med på dette niveau,« siger professor og leder af Center for Kvanteoptik - Quantop - på Niels Bohr Institutet Eugene Polzik.

Den atomare dele af hybrideksperimentet: Atomskyen er inden i en mikrocelle inde under det magnetiske skjold, der ses i midten af billedet. Ph.d.-studerende Rodrigo Thomas (til højre) var tilknyttet den del af projektet, mens ph.d.-studerende Christoffer Møller (til venstre) var med til at bygge membranen. Foto: Ola J. Joensen

Fra tyngebølger til smartphones

Eugene Polzik og hans kolleger mener, at metoden kan bruges til udvikling af nye former for analyseudstyr, herunder til måling af forskellige former for bevægelse som i dag kendes fra smartphones, navigationsudstyr og geologiske undersøgelser.

Læs også: Alle gode gange tre for LIGO: Ny observation af kollision af sorte huller i en fjern galakse

Niels Bohr-forskerne tror også, at den nye metode kan udnyttes ved måling af tyngdebølger fra rummet, der udbreder sig med lysets hastighed. For Ligo-forskergruppens måleudstyr forstyrres netop af Quantum Back Action.

»Vi planlægger at udvikle en eksperimental opsætning, der kan bruges i kombination med det store interferometer for tyngdebølge-observationer (Ligo), såvel som det europæiske tyngdebølge-interferometer (Virgo),« fortæller Eugene Polzik til Ingeniøren.

Samtidig arbejder professoren og hans hold med at opskalere eksperimentets involverede objekter ved at gå fra mikroskopisk størrelse til makroskopisk størrelse – hvor f.eks. objektet (membranen) bliver synlig med det blotte øje – det vil sige større end 1 mm.

»Det vil være en spændende legeplads at studere grænsen mellem den klassiske verden og kvanteverdenen,« mener Eugene Polzik.

Kommentarer (3)

Ariklen (og NBI's pressemateriale) siger eksplicit at Heisenbergs Ubestemthedsprincip skyldes at fotoner påvirker partiklen man observerer. Et dette virkelig en gængs fortolkning?

Det er intuitivt klart (i klassisk forstand) at en støm af fotoner der interagerer med partiklen også påvirker målingen, men det har altid været min forståelse (eller nærmere ikke-forståelse) at Heisenbergs Ubestemthedsprincip var i en helt anden boldgade, som ikke bare kan løses med bedre teknologi.

  • 8
  • 0

Sjovt. Så at Ingeniøren havde lagt artiklen op på msn.com. Det var faktisk dér jeg fandt artiklen først. Hvilke andre on-line sites bruger Ingeniøren?

  • 0
  • 0

Der er heller ikke tale om "bare" at benytte bedre teknologi, men snarere om at bøje reglerne på en intelligent måde. Den fulde forklaring er lidt vel langhåret, men kort fortalt udnytter gruppen to gode idéer:

  1. 1: Når man foretager en fysisk måling, måler man altid i et givet koordinatsystem, og dette koordinatsystem eksisterer fysisk (en fysik lineal, en fysisk atomsky, etc.). Det er muligt, at objektet man måler er kvantesammenfiltret med koordinatsystemet.

  2. 2: Atomskyens samlede spin kan polariseres således, at atomskyen effektivt er en harmonisk oscillator med negativ masse ift. til den mekaniske oscillator (membranen). Dette ændrede fortegn er uundværligt.

Artiklen ligger forøvrigt på arXiv: https://arxiv.org/abs/1608.03613

  • 0
  • 0