Forskare vid Lunds universitet utvecklar nya sätt att studera det kvantmekaniska fenomenet sammanflätning. Med nyskapande användning av ultrasnabba ljuspulser kan deras forskning ge bättre förståelse för grundläggande egenskaper hos material, till exempel byggstenar till kvantdatorer.
Projektanslag 2022
Entanglement and decoherence in ultrafast electron spectroscopy and microscopy
Huvudsökande:
Docent Mathieu Gisselbrecht
Medsökande:
Lunds universitet
Cord Arnold
Anne L'Huillier
Anders Mikkelsen
Claudio Versozzi
Lärosäte:
Lunds universitet
Beviljat anslag:
26, 1 miljoner kronor under fem år
Kvantmekanik – den del av fysiken som beskriver hur partiklar, som elektroner och atomer, beter sig – har haft enorm inverkan på samhället sedan den formulerades under 1900-talets första hälft. Lasern och transistorn, byggstenar i modern elektronik, är exempel på uppfinningar som har blivit verklighet tack vare kvantmekanisk förståelse.
Idag pågår intensiv forskning för att använda kvantegenskaper hos enskilda partikelsystem för att konstruera extremt snabba kvantdatorer, avlyssningssäker kvantkrypterad kommunikation och känsliga mätmetoder.
Många av dessa tillämpningar bygger på det kvantfysikaliska fenomenet sammanflätning. Förenklat beskrivet beter sig sammanflätade partiklar som om de hänger ihop och påverkar varandra, trots att de kan befinna sig långt ifrån varandra.
– Sammanflätning är en av de mest fascinerande egenskaperna av kvantvärlden, men hur den fungerar är inte helt klarlagt. I det här projektet utvecklar vi nya metoder för att i materia studera sammanflätning och hur den försvinner, säger Mathieu Gisselbrecht, som leder projektet vid Lunds universitet.
Sammanflätade tillstånd är nämligen väldigt sköra och förstörs lätt av yttre faktorer, som när partiklar interagerar med andra partiklar i rumstemperatur.
För att kunna följa dessa snabba förlopp utnyttjar forskarna i projektet korta, korta ljuspulser, så kallade attosekundspulser som bara varar en miljarddels miljarddel av en sekund. Med de korta ljuspulserna skapar de sammanflätade kvantsystem genom att jonisera materia, det vill säga få den att skicka ut en eller flera elektroner. Därefter studerar de hur sammanflätningen uppkommer och försvinner i rumstemperatur med hjälp av bland annat elektronspektroskopi.
Skräddarsyr ljuspulser
Elektronspektroskopi är en väletablerad analysmetod baserad på den så kallade fotoelektriska effekten, vilken innebär att ljus som lyser på ett material kan slå loss elektroner ur materialet. Genom att bestämma den energi som behövs för elektronerna att lossna, kan elektronspektroskopi ge information om vilka atomer materialet är uppbyggt av och om optiska och magnetiska egenskaper.
Nu utvecklar lundaforskarna en metod som ska göra det möjligt att få ut ännu mer information än tidigare från elektronspektroskopi.
– Genom att använda skräddarsydda sekvenser av attosekundpulser med laserljus i olika våglängder kan vi mäta inte bara energin hos den utsända elektronen utan också karakterisera dess kvanttillstånd. Vi visade nyligen att vi genom att kombinera attosekundforskning och elektronspektroskopi på det här sättet kan få ut kvantinformation i små kvantsystem. Det ska vi nu undersöka vidare, säger Mathieu Gisselbrecht.
Inom projektet utvecklar forskarna också ett sätt att mäta förekomsten av koherens, det vill säga elektroner som svänger med konstant fasskillnad, med elektronspektroskopi. Det kan ge ytterligare kunskap om dynamiken när sammanflätning uppstår, förklarar Mathieu Gisselbrecht.
– På så sätt kan vi få information även om ultrasnabba processer som kan hända i mitten, innan vår slutliga mätning av kvanttillstånden.
I projektet ingår också forskare inriktade på att utveckla ljuskällan, lasern, så att den mäter specifika atomtyper.
Vill studera halvledare
Försöken i projektet börjar i små system – atomer och små molekyler. Därefter ska forskarna ge sig på mer komplexa ämnen, till exempel halvledare i nanometerstruktur.
För att kunna förstå den typen av strukturer ingår även forskare inriktade på att utveckla metoder som ska göra det möjligt att använda attosekundspulser i elektronmikroskopi.
– Mikroskopi är jätteviktigt för att vi ska kunna se omgivningen, inte bara få en signal som vi inte vet var den kommer från. Med mikroskopi kan vi till exempel se vilken del av en nanotråd som koherent emitterar en elektron eller om förlust av koherens bara sker på ena sidan av objektet och inte på den andra.
Projektet omfattar också att formulera teori som beskriver sammanflätning. Teoretiska forskare i projektet tar fram modeller som kan förutsäga i vilka situationer det borde finnas sammanflätning; exempelvis vilka ljuskällor och sekvenser på ljuspulserna som kan skapa sammanflätade tillstånd. Den informationen kan de experimentella forskarna använda som vägledning och försöka bekräfta i sina experiment.
Banar väg för andra
I ett långt perspektiv kan forskningen i projektet bidra till utveckling av nya material där sammanflätning utnyttjas för nya tillämpningar, till exempel kvantdatorer. Men den kan också få mer direkt användning, menar Mathieu Gisselbrecht.
– Vårt arbete banar väg för att använda ljuskällor för att skapa och studera sammanflätning. De här metoderna kan användas av oss och andra och förhoppningsvis bidra till bättre förståelse för grundläggande egenskaper hos olika material, till exempel supraledning, som i dag ofta används för att utveckla kvantdatorer.
Text Sara Nilsson
Bild Åsa Wallin
