Kalla atomer är modellen

Vid extremt låga temperaturer följer materien inte längre klassiska fysikaliska lagar. I stället tar kvantmekaniken över. Jonas Larson använder kalla atomer för att med teoretiska metoder studera komplexa kvantmekaniska system. Ett mål är att lära sig mer om supraledning - förmågan att leda ström helt utan motstånd.

Jonas Larson

Docent i teoretisk kvantfysik

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Kvantmekanik

Kraftfulla kvantdatorer och nya material som kan leda ström utan motstånd i rumstemperatur. Det är exempel på lockande tillämpningar som kräver kunskap om hur materia fungerar i sina minsta beståndsdelar, på partikelnivå.

På den skalan gäller inte längre den klassiska fysikens lagar. Här uppstår i stället kvantmekaniska effekter: partiklarna måste beskrivas som vågor, de ser med andra ord ut att befinna sig på två platser samtidigt. De kan dessutom vara sammanflätade så att information om en partikels egenskaper finns inbyggt i en annan, trots att de är separerade från varandra.

– Det är fascinerande! Kvantmekaniken beter sig så annorlunda mot det vi upplever i vår vardag. Den kan verka konstig och abstrakt, men dess följder går ändå att se i labbet. Teorin bakom är också väldigt elegant, säger Jonas Larson.

Som Wallenberg Academy Fellow kan jag ägna mer av min tid åt forskning och anställa två doktorander. Jag vågar satsa på mer långsiktiga och utmanande projekt som jag inte hade gjort annars”

Nära absoluta nollpunkten

Men på den här nivån är de fysikaliska system man vill veta mer om ofta komplicerade. Att undersöka dem experimentellt är svårt; det kan till exempel vara problematiskt att skapa tillräckligt rena material eller att hålla omgivningens störningar borta. Och även för de mest avancerade superdatorer blir beräkningarna som beskriver systemen alltför krävande.

För att komma runt det problemet tar Jonas Larson extrem kyla till hjälp. Med laserljus kan gaser kylas ned till några miljarddels grader över den absoluta nollpunkten. Vid dessa temperaturer styrs materien helt av kvantmekaniken.

Laserljuset kan också skapa ett så kallat gitter, i vilket atomerna hoppar mellan bestämda punkter och kolliderar med varandra. Detta efterliknar precis elektroner som rör sig i en kristall, där punkterna motsvaras av atomer, och beskrivs av samma matematiska ekvationer. Forskarna kan därför använda systemet med kalla atomer för att studera andra, mer komplexa, kvantsystem.

– Det öppnar otroliga möjligheter för att på ett kontrollerat sätt studera komplicerade fysikaliska modeller och få insikt i specifika fysikaliska problem. Med de kalla atomerna får vi full kontroll över systemet. Vi kan till exempel mäta var atomerna sitter och bestämma med vilken styrka de hoppar runt, säger Jonas Larson.

Att skapa ett kontrollerbart kvantsystem för att undersöka egenskaper hos ett annat, mindre tillgängligt kvantsystem kallas kvantsimulering. Området har väckt stort intresse de senaste tio åren, bland annat genom experimentella framsteg för studier av kalla atomer.

Jonas Larsons forskning går ut på att med teoretiska metoder beskriva matematiken i de kalla atomsystemen. Tanken är att resultaten sedan ska verifieras i verkliga experiment i labb och Jonas Larson samarbetar idag med en experimentell forskargrupp i Zürich.

Leda ström utan motstånd

Ett mål med forskningen är att lära sig mer om olika material. En viktig fråga är så kallad supraledning - förmågan att leda ström helt utan motstånd. Supraledning har stora tekniska tillämpningar, bland annat i kraftledningar helt utan energiförlust. Tekniken används idag men kräver nedkylning till väldigt låga temperaturer vilket gör den kostsam.

En mekanism kallad kvantmagnetism tros ha betydelse för supraledning och kan studeras med hjälp av de kalla atomerna. Jonas Larson hoppas därför att hans forskning ska ge nya insikter i hur supraledning fungerar vid höga temperaturer.

– Om vi kan förstå den bakomliggande teorin kan man antagligen konstruera nya material som leder ström utan motstånd i rumstemperatur, så kallad högtemperatursupraledning. Men våra modeller kan också simulera saker som saknar motsvarighet i kristaller, de är så att säga ännu rikare, säger han.

Håller atomer i en låda

I ett delprojekt undersöks de kvantmekaniska fenomen som uppstår när de kalla atomerna hålls fångade i en låda skapad av två speglar, en optisk kavitet. I dessa beräkningar ingår att även laserljuset, fotonerna, beter sig kvantmekaniskt, vilket gör att ytterligare fysikaliska fenomen kan studeras. Eftersom fotoner läcker ut samtidigt som fotoner pumpas in är detta ett öppet system. En tanke är att studera fasövergångar - det vill säga abrupta förändringar i ett ämnes tillstånd, som när vatten smälter från is till vätska. Hur detta fungerar i öppna system vet man idag inte så mycket om.

– Kanske hittar vi ett robust tillstånd med jämvikt mellan fotoner som kommer in och ut. Då skulle man kunna använda det för att bygga kvantdatorer, som i normala fall är väldigt känsliga för sin omgivning, säger Jonas Larson.

Kvantdatorer bygger på kvantmekanik för sina beräkningar och förväntas kunna göra saker dagens datorer inte kan. Men utvecklingen är ännu i ett tidigt skede.

I korridoren utanför Jonas Larsons arbetsrum står hans cykel lutad mot väggen. Tidigare tävlade han i både triathlon och längdskidåkning, och även om träningen idag får betydligt mindre tid tycker han fortfarande om att vara ute i naturen, segla och åka skidor. Fysiken väckte hans intresse i gymnasiet, men han var inte den som utforskade elektronik eller magneter på fritiden. Det var alltid teorin som var grejen.

– Jag drivs av att ta reda på varför saker fungerar som de gör, säger Jonas Larson.

Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström