Nya möjligheter till kvantgenombrott vid Ångströmlaboratoriet

Den smala, avlånga enheten upptar ungefär hälften av labblokalen, inklusive den intilliggande mätstationen. Ingenting avslöjar att utrustningen har en unik kapacitet: att avslöja kvantfenomen på en hittills oåtkomlig nivå. Detta instrument, kallat utspädningskylskåp, har nämligen förmågan att kyla prover ner till temperaturer kallare än de kallaste områdena av universum, nära den absoluta nollpunkten. Dessa extrema förhållanden gör det möjligt för forskare att observera och spåra kvantfenomen med en precision som tidigare varit omöjlig.

Det säger Venkata Kamalakar Mutta, universitetslektor i kvantteknologi och föreståndare för Quantum Materials Device Lab, QMD.

– Utspädningskylskåpet ger oss förutsättningar för banbrytande upptäckter inom kvantmaterial och kvantmateria, individuella kvantsystem och kvantkomponenter för framtida teknik. Vi har väntat länge på den här nya ”leksaken” som vi har döpt till ELSA, säger Venkata Kamalakar Mutta och ler.

ELSA, eller Emergent Low-Temperature Spin Phenomena Lab, är en milstolpe i utbyggnaden av QMD-laboratoriet tack vare dess unika kapacitet i Sverige. Arbetet vid QMD är också kopplat till Myfab Uppsala, som ingår i en nationell forskningsinfrastruktur för mikroteknologi, nanovetenskap och materialforskning.

– Tillsammans med ELSA och våra befintliga experimentella resurser vid QMD och Ångströmlaboratoriet är Uppsala universitet nu en av de bästa experimentella miljöerna för kvantforskning i Norden, tillägger han.

Osäkerhet en grundläggande kvantprincip

Men när blir något ”kvant”? Enligt Venkata Kamalakar Mutta beter sig ett objekt kvantmekaniskt när dess storlek blir jämförbar med dess våglängd. Vardagliga objekt är alldeles för stora.

– Om jag mäter kvantpartikelns rörelse blir dess position osäker. Och om jag mäter var kvantpartikeln befinner sig blir dess rörelse osäker.

Kvantpartiklarnas svårfångade natur har illustrerats med otaliga exempel, det mest kända kanske Schrödingers katt. I en låda med en hypotetisk katt finns också en radioaktiv källa som med 50 procents sannolikhet kommer att sönderfalla och så småningom döda katten. Innan lådan öppnas och kattens tillstånd avslöjas kan djuret därför betraktas som både levande och dött samtidigt. Denna osäkerhet är en grundläggande princip inom kvantmekaniken.

– Partikelns kvantmekaniska natur innebär att den existerar i flera olika tillstånd samtidigt. Denna kvantaspekt kallas superposition. Det gäller tills vi mäter partikeln, då den kollapsar till ett bestämt tillstånd. Superposition är en av de viktigaste principerna som ligger till grund för kvanttekniken, säger Venkata Kamalakar Mutta.

Kvantmekanisk tunnling observeras

Ett exempel på ett kvantmekaniskt fenomen är tunneleffekten, där en partikel kan tränga igenom en isolerande barriär även om den inte har tillräcklig energi för att ta sig förbi barriären. Årets Nobelpristagare i fysik genomförde tunneleffektsexperiment på 1980-talet med hjälp av supraledare: material som leder elektricitet utan elektriskt motstånd när de kyls ned under en kritisk temperatur.

­– Vi måste alltid ta hänsyn till tunneleffekten i våra apparater. När vi mäter den elektriska strömmen som passerar genom atomärt tunna isolerande barriärer observerar vi rutinmässigt kvantmekanisk tunneleffekt vid rumstemperatur, säger Venkata Kamalakar Mutta.

En annan grundläggande kvantegenskap är elektronens spinn. Det är den minsta möjliga magneten och ansvarar för magnetismen i material. Denna egenskap ligger till grund för dagens kompakta dataminnen, minneslagring med hög densitet och molnlagringsteknik. Spinnet kan peka ”uppåt” eller ”nedåt” som en liten magnetpol, men den kan också existera i en kvantkombination av båda, förklarar Venkata Kamalakar Mutta.

­– I vårt arbete observerar vi hur dessa spinnlägen flödar och transformeras i enheter tillverkade av atomärt tunna material, och vi har banat väg för flera viktiga framsteg. Vi har till exempel varit pionjärer inom långdistansöverföring av spinninformation och kontrollerade ultrasnabba spinnfenomen, med potential att möjliggöra snabbare minnes- och logikenheter i energieffektiv intelligent elektronik. Eftersom enskilda spinn följer superpositionsprincipen kan de till och med fungera som kvantbitar eller qubits i kvantdatorer.

Rekordlåga temperaturer avslöjar kvantpartiklar

Med det nya utspädningskylskåpet ELSA ser Venkata Kamalakar Mutta stora möjligheter till avancerade upptäckter vid QMD-laboratoriet. För att nå den lägsta temperaturen och studera kvantfenomen, matas en blandning av helium-3 och helium-4, två heliumisotoper, in i kylskåpet från en behållare. Vid den spontana fasseparationen sjunker temperaturen till under 1 Kelvin, till och med ner till 0,01 Kelvin.

– Tidigare kunde vi kyla våra system till cirka 1,5 Kelvin. Med utspädningskylskåpet kan vi nu nå 0,01 K, vilket är ungefär minus 273 grader Celsius och nära absolut nollpunkt. Vid dessa temperaturer blir atomerna nästan stillastående och elektronerna börjar interagera på sätt som avslöjar nytt kvantbeteende.

Forskargruppens expertis inom atomärt tunna kvantmaterial och spinnfenomen skapar optimala förutsättningar för att upptäcka nya tillstånd av materia som involverar elektron- och spinninteraktioner. ELSA har ett unikt triaksialt magnetfält, vilket innebär att forskarna kan applicera ett starkt magnetfält i valfri riktning, tillägger han.

– Forskningen kan leda till betydande framsteg inom nya energieffektiva tekniker, såsom supraledare och spinnlogiska enheter, som kan förändra datorer, sensorer och artificiell intelligens i grunden. Kvantdatorer är den mest synliga tillämpningen av kvantteknik. Kvantsimulatorer och kvantsensorer är lika lovande områden, säger Venkata Kamalakar Mutta.

– Men sanningen är att vi fortfarande befinner oss i ett tidigt skede. För att kunna bygga den andra generationen kvantteknik som verkligen kan gynna samhället behöver vi en fullständig och tillförlitlig förståelse för hur dessa kvantsystem fungerar.

Anneli Björkman