Projektanslag

Tvillingparadox på ett chip

Genom att kombinera teoretiska beräkningar och experiment på supraledande kretsar vill Per Delsing och hans kollegor förstå hur saker och ting hänger ihop på nanonivå. Bland annat tänker de simulera objekt som rör sig mycket snabbt, nästan i ljusets hastighet, och visa den så kallade tvillingparadoxen på ett mikrochip.

”Det är lättare att styra en foton än att uppfostra fyra döttrar”, står det på ett papper uppsatt på väggen.

– Ja, det stämmer, säger Per Delsing, professor i experimentell fysik på Chalmers, utan att tveka.

Men så är han också en fena på att styra fotoner, små ljuspartiklar. Hans forskargrupp har bland annat lyckats generera fotoner direkt ur vakuum. I projektet som har fått stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse tar de nu hjälp av fotoner för att bland annat visa tvillingparadoxen på ett nytt sätt. Paradoxen är ett tankeexperiment kopplat till Einsteins speciella relativitetsteori som har sysselsatt fysiker i mer än hundra år.

Per Delsing, som själv råkar vara tvilling, förklarar:

– Tvillingparadoxen säger att om jag åker iväg på en rymdresa i väldigt hög fart och sedan återvänder, då är jag när jag kommer tillbaka, tack vare accelerationen, mycket yngre än min tvillingbror. Denna effekt har uppmätts på olika sätt och vad vi vill göra nu är att försöka demonstrera det här på ett mikrochip, säger han.

Med andra ord, istället för att åka ut i rymden kommer hans forskargrupp att göra en väldigt liten förflyttning av fotoner på nanonivå.

– Men vi gör förflyttningen så pass fort, i en hastighet som är nära ljusets hastighet, vilket är svårt att komma upp till i verkligheten. Och det är därför vi kan uppnå en effekt även om den här rymdresan bara sker på själva chippet.

Tricket – en supraledande krets

Forskargruppen använder sig av en speciell typ av supraledande elektrisk krets som kallas squid, förkortning för superconducting quantum interference device, som tillverkas i Chalmers avancerade renrum. När Per Delsings forskargrupp år 2011 visade hur man skapar fotoner ur vakuum använde de specialdesignade squidar som mycket snabba speglar för att generera ljuspartiklarna.

Utöver tvillingparadoxen tänker man i projektet studera två andra nya fysikaliska fenomen på mikrochip; fotonkondensation och frekvenskammar.

– Vi är alltid ute i gränslandet för vad som är möjligt och vad som är nytt. Anslaget ger oss förutsättningar att realisera de här idéerna och se hur långt vi kan nå. Stiftelsen ger oss också en stor frihet att använda resurserna på det sätt vi själva tycker är bäst.

Fungerar i teorin

Att det är teoretiskt möjligt att visa tvillingparadoxen på ett mikrochip har en forskargrupp som leds av Göran Johansson, professor i teoretisk fysik på Chalmers, räknat ut och publicerat en vetenskaplig artikel om. Att kunna beskriva det man gör teoretiskt är väldigt viktigt, understryker Per Delsing.

– Ibland är det enklare att testa i teorin först och ibland är det tvärtom bättre att börja med experiment. Så när vi har gjort mätningar gör teoretikerna en modell utifrån resultaten och kan förhoppningsvis reproducera våra data så att det ser likadant ut. Det är dit man vill komma. Det här är ett teamarbete och vi känner varandra väl. Teoretikerna vet vilken utrustning vi har och vi vet vilka teoretiska modeller och metoder de har.

Den tredje forskargruppen i projektet leds av David Haviland, professor i nanostrukturfysik på KTH. Han utvecklar metoder för att generera och analysera signaler med många toner vid låga frekvenser 10-100 MHz i så kallade frekvenskammar.

– Det fina är att vi kan kombinera vår utrustning med Davids och skapa frekvenskammar i mikrovågsområdet, säger Per Delsing.

Dessa frekvenskammar skulle i sin tur kunna komma till nytta för att driva de resonatorer som forskarna använder för att skapa fotoner. En resonator är en komponent som svänger med en viss frekvens, i det här fallet är det en transmissionsledning med en squid i varje ände.

– Här finns en del teorier om att man eventuellt skulle kunna utnyttja frekvenskammar för kvantinformation.

Kryostat tystar och kyler

Anslaget från Stiftelsen kommer främst användas till att rekrytera fler forskare, men också till en ny kryostat. Det är en apparat i tremiljonersklassen som kyler squiden till nära absoluta nollpunkten. Och det måste man göra av två anledningar berättar Per Delsing när han visar mätlabbet.

– För det första för att bli av med allt brus som högre temperaturer ställer till med. Men också för att våra kretsar ska bli supraledande.

Per Delsing, som även är Wallenberg Scholar, får ofta frågan vad man ska ha det till, det han forskar om. Svaret är att han inte vet. Det handlar om ren grundforskning, om att förstå hur allt hänger ihop.

– När vi sysslar med de riktigt små sakerna så har vi kvantfysik, och när vi tittar på det riktigt stora så har vi allmän relativitetsteori, som beskriver gravitationen. De teorierna motsäger bitvis varandra och detta har man inte fått ihop än. Vi börjar i vår forskning närma oss den gräns där vi kan testa saker som beskrivs av båda dessa teorier och det finns en möjlighet att lära sig nya spännande saker.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström