Ansökan: Kalla atomer och antiatomer - från fundamental fysik till atomoptik och nanoteknologi

Tidsperiod:

1 januari 2010 – 31 december 2012

Projektledare:

Piotr Froelich

Projektdeltagare:

Emiko Hiyama, Alexei Voronin

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

1 800 000 SEK

Vår forskning är centrerad kring de mest häpnadsväckande och intellektuellt fängslande materieformer som någonsin har skapats: Antimateria och Bose-Einstein kondensat (BEC) av ultrakalla atomer. Vi bedriver teoretiska studier av atomära och molekylära processer relevanta för experiment med kalla atomer och antiatomer. Sådana experiment, baserade på förmågan att kyla ner och fånga atomer har, i kombination med ultraprecis spektroskopi, revolutionerat atom- och molekylfysiken. Vi är särskilt intresserade av två aspekter av denna revolution. Den ena är möjligheten att angripa fundamantala frågor gällande fysikens teoretiska lagar och symmetrier. Den andra är möjligheten att studera och praktiskt utnyttja atomernas vågkaraktär, vilket redan har visat sig ha en väldig potential för tillämpningar inom atomoptiken, interferometrin, metrologin och nanoteknologin. Vår forskning om kalla atomer och antiatomer kan därför sägas ha en nydanande karaktär av både fundamental vetenskaplig och teknologisk betydelse. Nedan ges några exempel.

- Antimateria har länge varit en vetenskaplig fiktion men nu har antiatomer skapats i laboratorier vid CERN. Våra beräkningar ger information om hur antiatomer växelverkar med vanlig materia och stödjer försök med att skapa, fånga och kyla ner antiväte som man planerar att använda för ytterst noggranna tester av naturens grundläggande lagar och symmetrier. Frågor man vill finna svar på är bl.a.: Är antiatomer exakta spegelbilder av atomer? Var finns all antimateria som skapades vid universums början? Hur växelverkar antimateria med vanlig materia och med gravitation?

- Enligt Galileo och Einstein faller alla kroppar mot jorden med samma acceleration. De moderna teorier som förenar den allmäna relativitetsteorin med kvantmekaniken har emmellertid sått ett frö av tvivel i denna tro. Man letar numera med oerhört noggranna interferometriska metoder efter små skillnader i accelerationskraften för olika slags atomer. Skillnaderna skulle dock vara mest påtagliga för antiatomer. Vi har framlagt och studerat ett nytt sätt att mäta gravitationskraften för antiatomer som studsar över en metallyta.

- Hur kan antiatomer studsa tillbaka från en materieyta utan att förintas? Detta sker mha en förbryllande kvanteffekt, sk kvantreflektion. Våra beräkningar visar att ultrakalla atomer kan reflekteras utan att ens komma i kontakt med en yta. Sådan reflektion sker under inverkan av långdistans sk. Casimirkrafter, trots att dessa attraherar atomen till ytan! Kvantreflektion skulle kanske kunna användas för att innesluta eller föra atomer mellan metallytorna, utan inverkan av externa fält. Vi kommer även att studera kvantreflektion för vanliga atomer för att utforska dess potential för atomoptiken.

- Inom atomoptiken utnyttjas atomernas vågegenskaper på ett sätt som liknar användningen av ljuset i den vanliga optiken. Enligt kvantmekaniken uppför sig nämligen atomstrålar som materievågor och man strävar numera efter att skapa atomoptiska motsvarigheter till traditionella ljusoptiska redskap, såsom linser och speglar, samt utnyttja materievågsegenskaper som interferens och diffraktion. På sistone har man lärt sig att kyla ner atomer till så låga temperaturer att deras våglängder är jämförbara med storleken hos mesoskopiska strukturer, vilka idag kan framställas mha nanoteknologiska metoder. Att atomstrålarna kan manipuleras beror på långdistanskrafter mellan atomerna och atomoptiska redskap - dvs atomerna styrs av kvantreflektionen. En konferens som jag organiserade vid Harvard hösten 2007 handlade om kvantreflektionens tvärvetenskapliga aspekter. Det framkom att tillängligheten av kalla atomer och den nanoteknologiska miniatyseringen skapar ett snabbt ökande intresse för kvantreflektionens roll inom atomoptiken; vår forskning ligger således rätt i tiden.

- När ett gasmoln kyls ner till nära 0 grader K börjar atomernas vågegenskaper ta över och en förbryllande fasövergång inträffar; atomerna förl