I mikrokosmos, bland våra allra minsta partiklar, råder helt andra lagar än i vår vanliga värld. För medan gravitation styr den stora världen, regerar kvantfysikens lagar i den lilla världen. Här existerar fenomenet superposition, som innebär att en partikel kan befinna sig på flera platser, och i flera tillstånd, samtidigt.

– Kvantvärlden och gravitationsvärlden passar egentligen inte ihop, men många forskare försöker förena dem. Om vi kan få dessa världar att närma sig varandra skulle det hjälpa oss att förstå, beskriva och använda olika tillstånd och fenomen ännu bättre än idag, säger Witlef Wieczorek.

Hans forskargrupp har siktet inställt på just detta närmande mellan två – hittills – oförenliga världar. Målet är att lyckas skapa ett superpositionstillstånd hos en partikel med betydligt större massa och högre vikt än de partiklar som hittills har kunnat skådas i kvantvärlden.

– Man kan säga att partikeln är lite större än en tiondels diameter av ett hårstrå. I kvantvärlden är det jättestort, så vi testar verkligen kvantfysikens gränser, säger han.

Kyla och vakuum minskar störningar

Mycket behöver vara på plats för att forskarna ska lyckas. En av utmaningarna är att kvanttillstånd är oerhört känsliga och kan kollapsa om de råkar ut för minsta störning, som värmestrålning eller rörelser. Därför behöver forskarna isolera den partikel de vill försätta i ett kvanttillstånd, så att den interagerar med sin omgivning så lite som möjligt. Forskargruppens lösning är att, med hjälp av magnetfält, få partikeln att sväva i vakuum i extremt låg temperatur – nära den absoluta nollpunkten på -273,15 grader Celsius. Det innebär att kylan minimerar värmestrålningen, medan vakuumet minimerar risken för störningar från omgivande molekyler.

En elegant lösning i teorin, men sannerligen ingen lätt uppgift att förverkliga, berättar Witlef Wieczorek, som betonar att uthållighet och motivation är viktiga ingredienser i all forskning.

– I två år försökte vi förgäves få partikeln att sväva. Det var tufft, och vi behövde hela tiden testa nya vägar. När min doktorand en dag berättade att vi äntligen hade lyckats blev jag oerhört glad – då kramades vi, säger han och skrattar vid minnet.

De närmaste åren kommer forskarna arbeta för att nå slutmålet: att försätta den svävande partikeln i superposition. Det kräver att de lyckas bromsa och kyla ner partikeln ytterligare, eftersom den fortfarande har en minimal rörelse som hindrar den från att hamna i ett kvanttillstånd.

– För att hantera detta mäter vi partikelns position och rörelser väldigt exakt. Det ger oss möjlighet att applicera en kraft i precis rätt ögonblick för att stoppa upp partikelns rörelse. Det gör samtidigt att den kyls ned ännu mer, säger han.

Kan skapa känsliga mätinstrument

I det sista skedet ska den svävande partikeln slutligen försättas i superposition. Det kan ske på flera sätt, men en av möjligheterna är att utnyttja det magnetfält som partikeln befinner sig i. I den kalla omgivningen har partikeln nämligen blivit en supraledare: ett kvantmekaniskt tillstånd där elektricitet kan flöda perfekt. Och det tillståndet kan forskarna dra nytta av.

– Supraledare gillar inte magnetiska fält. Därför har den supraledande partikeln placerat sig i mitten, där magnetfälten tar ut varandra så att magnetismen är noll. Om vi ändrar magnetfältet så att det finns två utrymmen där magnetfältet är noll, kan partikeln existera på dessa två ställen samtidigt – och därmed hamna i superposition, säger han.

Kvantvärlden och gravitationsvärlden passar egentligen inte ihop. Om vi kan få dessa världar att närma sig varandra skulle det hjälpa oss att förstå, beskriva och använda olika tillstånd och fenomen ännu bättre än idag.

Om slutmålet uppnås har forskargruppen visat att kvantfysiken fungerar även på större skalor. Ett banbrytande steg för grundforskningen inom kvantfysik, samtidigt som det redan finns praktiska tillämpningar i sikte.

– Kunskapen skulle kunna användas för att leta efter vissa sorters mörk materia, eller för att mäta gravitation. Det kan exempelvis göra det möjligt att bygga väldigt känsliga mätinstrument som kan upptäcka jordbävningar snabbare än i dag. Men jag tror också att dörrar kan öppnas för saker vi inte ens tänker på än. När vi kan se det här kvanttillståndet hos en partikel med en större massa, se hur det lever och kan optimeras, då kan vi också upptäcka nya sätt att använda det, säger han.

Det annorlunda och utmanande lockar

Det här forskningsprojektet – liksom många av hans kollegors forskningsarbeten – hade inte varit möjliga utan det omfattande stöd som Wallenbergstiftelserna ger till svensk kvantforskning, framhåller Witlef Wieczorek.

Att han själv fastnade för den mystiska kvantvärlden tackar han till stor del sin pappa för.

– Min pappa var fysiker, och det påverkade nog mitt intresse för området. När jag gjorde min mastersuppsats insåg jag hur otroligt spännande kvantfysik är. Jag tror det är för att kvantvärlden fungerar så annorlunda än vår vanliga värld, vilket gör att man behöver tänka på nya och annorlunda sätt, säger Witlef Wieczorek, som trivs som bäst i samarbetet med andra.

– Min stora drivkraft, förutom nyfikenhet, är faktiskt att prata med min grupp, diskutera och lösa saker tillsammans, säger han.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg