Fotonkondensat och relativistisk fysik på ett mikrochip

Forskningsprojekt, 2015 – 2019

De grundläggande fysikaliska modellerna för det mycket stora och det mycket lilla, d.v.s. allmän relativitetsteori och kvantfysik, är ännu inte helt sammanfogade. I det här projektet kommer vi att närma oss detta spännande gränsområde genom experiment med supraledande elektriska kretsar och nanoteknologi. Dessutom kommer vi att skapa ljuspartiklar i nya kvantmekaniska tillstånd: både så kallade fotonkondensat, där många ljuspartiklar (fotoner) uppför sig identiskt med varandra, och så kallade klustertillstånd, där ljuspartiklar med olika färger är kvant-mekaniskt sammanflätade.

Projektet bygger delvis på den teknik som vi demonstrerade år 2011: vi skapade ljuspartiklar direkt ur vakuum och bevisade därmed en 40 år gammal kvantmekanisk teori, den så kallade dynamiska Casimireffekten (DCE).

DCE är ett exempel på en parametrisk effekt. Ett mer vardagligt exempel är ett barn som sitter på en gunga – genom att synkroniserat höja och sänka sin tyngdpunkt får barnet gungan att svänga. Andra exempel är parametriska förstärkare som används inom elektronik och optik. Till skillnad mot dessa exempel som beskriv med klassisk fysik, kommer vi här att studera parametriska effekter som beskrivs med kvantfysik och allmän relativitetsteori.

En speciell typ av supraledande kretskomponent som kallas för squid har mycket användbara egenskaper för studiet av parametriska effekter. Squiden fungerar som en ställbar magnetisk spole; den kan ändras snabbt genom att vi "pumpar" den med ett varierande magnetfält. Eftersom squiden är supraledande har den också mycket små energiförluster.

Om vi placerar en squid i slutet av en ledare för mikrovågor så reflekteras dessa som i en spegel. Och om vi pumpar squiden snabbt så ser mikrovågorna en spegel som rör sig (gungar) med hög hastighet, nära ljusets. DCE innebär att det då skapas ljuspartiklar ur vakuum. De skapas parvis och är kvantmekaniskt sammanflätade.

Denna teknik gör det möjligt för oss att studera tre nya fysikaliska fenomen: fotonkondensation, tvillingparadoxen och klustertillstånd.

Fotonkondensat: I en elektrisk svängnings-krets kan vi fånga många DCE-fotoner i ett och samma kvanttillstånd och skapa ett så kallat fotonkondensat. Vi kommer att undersöka detta fenomen genom att studera oscillationer mellan två kopplade kondensat.

Tvillingparadoxen: I korthet innebär paradoxen att en tvilling färdas i ett snabbt rymdskepp medan den andra stannar hemma. När den resande tvillingen återvänder, är hon yngre än sin jämnåriga tvilling. Med två rörliga speglar kan vi skapa ett "rymdskepp" där fotoner fångade mellan speglarna kan flyttas kontrollerbart, med nära ljusets hastighet. Vi bör då kunna mäta att tiden går långsammare för dessa fotoner än om vi inte flyttar på speglarna snabbt.

Klustertillstånd: Genom att pumpa en squid med mer än en ton kan vi få speglar att röra sig nästan hur som helst. Då kan vi generera så kallade klustertillstånd, kvantmekaniska tillstånd där fotoner med olika färger är sammanflätade. Dessa tillstånd kan användas som bas för en kvantdator, en teknologi som har potential att revolutionera informationsbehandling.

Vi studerar ljuspartiklar vid mikrovågs–frekvenser, c:a 5 GHz. För att kunna urskilja enstaka ljuskvanta genomför vi experimenten vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten: då undviker vi den stora mängd okontrollerade mikrovågor som finns vid rumstemperatur.