Kvantljud: Generering och kontroll av fononer på kvantnivå

Forskningsprojekt, 2016 – 2025

Studier av växelverkan mellan ljus och atomer kalls för kvantoptik. Vi har börjat studera växelverkan mellan ljud och atomer, vilket vi kallar för kvantakustik. Det visar sig att det finns flera intressanta saker som vi kan studera inom kvantakustik – som är omöjliga eller mycket svåra att studera med kvantoptik. Kvantoptik är ett välstuderat forskningsområde, medan kvantakusti är ett nästan helt outforskat område. Förra året blev vi först i världen med att visa att vi kan lyssna till ljudet som en konstgjord atom avger. Vi vill nu bygga vidare på denna framgång och studera kvantakustik i detalj.

Atomers vibrationer i fasta material, kan beroende på sammanhanget beskrivas antingen som ljud eller som värme. När man tittar närmare så kan både ljud och värme beskrivas med hjälp av partiklar som vi kallar fononer. Vi beskriver värme som ett stort antal fononer med en mängd olika frekvenser, och vi fysiker mäter sådant som värmeledningsförmåga och värmekapacitet. Ljud i ett fast material, å andra sidan, är när fononerna har en eller ett fåtal frekvenser och man kan mäta ljudhastighet och hur ljud reflekteras vid till exempel gränsytor. Normalt är det dock i båda fallen mycket svårt att studera
de enstaka fononerna.

Vi har hittat ett sätt att studera enstaka fononer. Vi använder oss av en speciell typ av ljud som bara rör sig på ytan av fasta material, så kallade ytakustiska vågor, med en frekvens i mikrovågsområdet. Vi kan skapa och manipulera dessa vågor på ytan av ett litet chip. För att detta ska fungera använder vi ett så kallat piezoelektriskt material, som om det utsätts för tryck omvandlar den påverkan till elektricitet och tvärtom. För att det ska bli ”tyst” i materialet måste att bli av med de fononer som skapas spontant vid rumstemperatur. Vi måste därför kyla ner chipet till nära absoluta nollpunkten, till cirka 0,02 Kelvin. Vi använder oss också av supraledande kretsar vilka fungerar som konstgjorda atomer. Med hjälp av dessa "atomer" kan vi skapa enstaka fononer och vi kan få fononerna att studsa på atomerna.

Vårt projekt har fyra konkreta mål.

1. Vi vill kunna skapa enstaka fononer på kommando. Det kan göras ganska enkelt genom att vi först tillför energi till en konstgjord atom, vi exciterar atomen, som sedan förlorar sin energi (atomen rleaxerar) genom att sända ut en, och endast en, fonon. Svårigheten är snarast att bevisa att detta händer. Vi kommer att göra det genom att mäta sambandet (korrelationerna) mellan de signaler som atomen sänder ut åt två olika håll.

2. En atom som växelverkar med ljud kan vara mycket större än våglängden för ljudet. Det kan inte inträffa för en atom som växelverkan med ljus, och just därför är detta intressant att studera.

3. Eftersom ljudets hastighet i fasta material är cirka 100 000 gånger långsammare än ljusets hastighet så tar det relativt lång tid för en fonon att färdas över ett chip. Detta ger oss tid att manipulera fononerna med hjälp av atomer som vi placerar ut på ytan.

4. Kopplingen mellan atomen och ljudet kan göras mycket stark, speciellt om vi använder det piezoelektriska materialet lithiumniobat. Teoretiskt kan vi nå en starkare koppling än vad som är möjligt i kvantoptik. Vi kommer studera vad som händer både med atomen och med ljudet, när koppling blir extremt stark.