Supersensitiv måling af magnetfelter i svingende atomer
I nervesystemet, i hjernen og alle vegne i den menneskelige krop findes der elektriske signaler, og i tilknytning er der bittesmå magnetfelter, som det kan være vigtigt at undersøge for lægevidenskaben. Forskere fra Niels Bohr Institutet har netop udviklet en metode, der vil kunne bruges til at opnå ekstremt præcise målinger af ultrasmå magnetfelter. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Nature Physics.
Professor Eugene Polzik i det kvanteoptiske laboratorium, hvor forskergruppen har gennemført eksperimenter, der forbedrer målingerne af ultrasmå magnetfelter. For at få en præcis måling af ultrasmå magnetfelter har de udtænkt en måde til næsten at slippe udenom kvantefysikkens begrænsninger.
De bittesmå magnetfelter er helt nede på atomart plan. Atomerne står ikke stille, de drejer rundt om sig selv, og aksen er som en lille magnetstang. Men aksen har en lille hældning, og magnetstangen står derfor og svinger i cirkler. For at måle på en svingende genstand skal man have både dens position og hastigheden af svingningen.
Men i atomernes verden er det ikke den klassiske fysiks love fra verden, som vi kender den, der gælder – her hersker kvantefysikkens love. Heisenbergs og Bohrs love om kvantefysikkens usikkerhedsrelation siger, at når man måler på et system, kan man ikke samtidigt måle en partikels position og dens hastighed og få et nøjagtigt tal. Man kan måle på én af disse størrelser, f.eks. position og få et tal med næsten ubegrænset nøjagtighed. I samme måling vil partiklens hastighed så være usikker. Måler man partiklens nøjagtige hastighed, vil man i samme måling få en usikker position. Ligeledes siger kvantefysikkens love, at når man måler på en roterende bevægelse, kan man ikke samtidigt måle omdrejningshastigheden og rotationsaksens retning.
Nøjagtige sammenpressede målinger
Georgios Vasilakis, postdoc i Quantop arbejder med eksperimenterne i det kvanteoptiske laboratorium. Her har forskerne et lille glasrør, som indeholder en sky af milliarder af cæcium-gasatomer, og ved hjælp af laserlys bliver alle atomerne styret til at have deres hældning i samme retning, og man kan beregne de ultrasmå magnetfelter med stor præcision.
”For at få en præcis måling af ultrasmå magnetfelter har vi udtænkt en måde til næsten at slippe udenom kvantefysikkens begrænsninger, og i laboratoriet har vi gennemført eksperimenter, hvor vi forbedrer målingerne af de svingende atomer. Den nyudviklede sensor, som kan måle de ultrasmå magnetfelter, består af en samling atomer i gasform”, fortæller professor Eugene Polzik, leder af forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
I det kvanteoptiske laboratorium har forskerne et lille glasrør, som indeholder en sky af milliarder af cæcium-gasatomer. Glasrøret er 10 millimeter langt og kun 300 mikrometer i diameter (en mikrometer er en milliontedel af en meter). Atomerne drejer rundt om sig selv i en hældende akse, men gasatomerne flyver hulter til bulter, og atomernes hældende akse vender i alle mulige retninger. Ved hjælp af laserlys bliver alle atomerne styret til at have deres hældning i samme retning. Denne retning kunne blive slået ud af kurs, når atomerne ramler ind i glasvæggen, men glasrøret har en indvendig belægning, som sørger for at, kursen holdes.
Nu sender forskerne så et nyt laserlys med en anden frekvens ind på gasatomerne, og der sker nu det forunderlige kvantefænomen, at lyset og gasatomerne bliver entangled (sammenfiltret). Det, at de er sammenfiltrede betyder, at de har lavet et kvantelink – de er synkroniserede, så nu er de totalt ensrettede. Laserlyset sendes med en bestemt puls, og man kan nu måle retningen af atomernes akse, men kun én retning. Det vil sige, at når atomerne drejer rundt om sig selv, danner dens hældende akse en cirkel, og man kan ikke måle den nøjagtige position af hele aksens cirkeludsving. Men man kan inddele en cirkel i en nord/syd-retning og en øst/vest-retning.
Den nyudviklede sensor, som kan måle de ultrasmå magnetfelter, består af en sky af milliarder af cæcium-gasatomer i et lille glasrør. Ved hjælp af laserlys bliver alle atomerne styret til at have deres hældning i samme retning. (Credit: Kasper Jensen, Niels Bohr Institutet)
”Det, vi så gør, er, at vi måler én af retningerne, f.eks. øst/vest-retningen. Det kaldes en squeezed (sammenpresset) tilstand, og den kan man måle med en meget lille unøjagtighed. Det er meget nyttigt, for i mange målinger af eksterne magnetfelter er det blot nødvendigt at måle på øst/vest-retningen, og dermed kan vi beregne de ultrasmå magnetfelter med stor præcision”, siger Eugene Polzik.
Supersensitive målinger af bittesmå elektro-magnetiske felter og kræfter er vigtige i forhold til forskning indenfor biologi og lægevidenskab, og forskningsgruppen har derfor samarbejde med lægerne på Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet.
Eugene Simon Polzik, Professor og leder forskningsgruppen Quantop Optics på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 23 38 20 45, polzik@nbi.dk
Georgios Vasilakis, Postdoc, Quantop Optics på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, gvasilak@nbi.ku.dk