Wallenberg Scholars

Han tämjer ljusets krafter

För några år sedan lyckades Per Delsings forskargrupp skapa ljus ur vakuum. Nu har de lyckats fånga fotoner och hålla dem instängda tills de tycker att det är dags att släppa ut dem igen. Snart hoppas Per Delsing kunna styra fotoners väg över ett specialdesignat chip. Leken med ljus sker i supraledare, kylda med helium från gamla vätebomber.

Per Delsing kommer ihåg första gången han hörde om supraledande material. Han var runt tio år gammal och han frågade sin far – som var den som kunde allt – vad supraledare var för någonting. Pappan svarade: »jag har ingen aning«. När den unge pojken slog upp begreppet i Nordisk familjebok kunde han läsa att det var när en metall förlorade sin resistans, sitt motstånd, helt och hållet.

– Jag tycket att det var ganska häftigt. Även om jag inte hade någon jätteförståelse för det visste jag att om man skickar en ström genom en glödlampa blir den varm. Men utan resistans skulle den inte bli varm alls, säger Per Delsing, i dag professor i experimentell fysik vid Chalmers tekniska högskola.

Sedan denna gång har supraledande komponenter varit ett återkommande tema i hans liv. Det var också med hjälp av supraledare som hans forskargrupp år 2011 gjorde ett stort genombrott inom fysiken: de lyckades skapa ljus ur vakuum.

Varde ljus

De flesta har i skolan lärt sig att vakuum är samma sak som ingenting. Det är tomrum. Men i kvantfysikens värld är detta tomrum fyllt av virtuella partiklar. Ur intet skapas hela tiden partiklar och deras antipartiklar. De existerar under några pikosekunder, några miljondelar av en miljondels sekund, sedan träffar de på varandra igen och förintas. Med ljuspartiklar, fotoner, är denna process lite speciell:

– Fotoner är sin egen antipartikel. Därför bildas det alltid ett par av fotoner, säger Per Delsing.

Ungefär samtidigt som han första gången i sitt liv hörde talas om supraledning förutsåg en fysiker vid namn Gerald Moore, att det borde gå att skapa ljus ur vakuum om man lyckades skjuta in en spegel mellan två nyskapade virtuella fotoner. Spegeln borde kunna reflektera fotonerna så att de åkte iväg åt varsitt håll. Om de inte träffade på varandra igen, skulle de inte försvinna. Genom denna process skulle det virtuella bli till verklighet; till ljus. Att skjuta in en riktig spegel mellan två fotoner som existerar under några pikosekunder är i princip omöjligt. Spegeln skulle behöva röra sig med hastigheter som ligger nära ljusets.

Men istället för en spegel använde sig Per Delsing och hans kollegor av något som på engelska kallas för en »superconducting quantum interference device« och som forskarna förkortar till en »squid«. I kvantvärlden fungerar detta som en spegel. Med hjälp av ett elektromagnetiskt fält manipulerade de squidens förmåga att reflektera ljus och fick då fram samma effekt som om de hade flyttat en spegel med ljusets hastighet. Och plötsligt – ur tomma intet – uppstod fotoner. Detta genombrott rankades som det femte viktigaste år 2011 av tidskriften Physics World.

”Det är en stor ära att bli utsedd till Wallenberg Scholar. Finansieringen innebär att jag kan fortsätta med den här forskningen och på den nivå som jag befinner mig. Stiftelsen har redan betytt mycket för mig. All våra tre kryostater är till exempel finansierade
av den.”

Kyler med isotoper från vätebomber

Forskargruppen genomförde experimentet vid en temperatur som låg mindre än 50 milligrader över den absoluta nollpunkten; den temperatur där alla atomer i princip står stilla. För att kunna nå detta extrema gradtal, - 273,10 °C, krävs så kallade kryostater där forskarna stegvis sänker temperaturen på det supraledande materialet. Först med hjälp av flytande helium, sedan genom att låta en isotop, helium-3, cirkulera i vanligt helium-4. Den enda källan till helium-3 är gamla avlagda vätebomber. De innehåller tritium som sönderfaller till helium-3.

– Vi tycker att det här är ett mycket bättre sätt att använda tritium. Då används det till något nyttigt, säger Per Delsing.

En hinderbana för fotoner

Inuti de tre kryostaterna på hans laboratorium fortsätter leken med ljuspartiklar. Alldeles nyligen lyckades forskargruppen fånga ljuspartiklar inuti något som kallas för en resonator och som de skapar av supraledande material. De har också lyckats tillverka en router där de kan välja om de vill skicka en enstaka foton åt höger eller åt vänster. Nästa steg blir att skapa en hinderbana eller en rangerbangård för fotoner. Istället för att parkera tåg och vagnar styr de fotoner.

– Man kan se routrarna som en tågväxlar som styr fotonerna. Vi ska generera dem på ett ställa och sedan låta dem gå i en bestämd bana, säger Per Delsing.

Det som nu återstår är att hitta en metod för att detektera, påvisa, enstaka fotoner. Först när de har en sådan kan de bevisa att de styr fotonerna dit de vill. Vad syftar då denna lek till?

– Vi vet inte var detta leder någonstans, men vi inser att det kan finnas nya stora möjligheter här. Det vi gör har man inte kunnat göra förut, säger Per Delsing och ler.

Möjligen kan forskargruppens kreativa ljuslekar bidra till utvecklingen av kvantdatorer. Men detta får framtiden utvisa.

Text Ann Fernholm
Bild Magnus Bergström