kvanttifluktuaatiot

Chalmersin teknillisessä korkeakoulussa on onnistuttu pidentämään atomin elinaikaa kymmenkertaiseksi normaaliin verrattuna. Siihen tarvitaan vain peili.

Jos atomi saa ylimääräistä energiaa, se virittyy. Ennen pitkää viritystila purkautuu, jolloin atomi menettää saamansa energian ja palaa alkuperäiseen perustilaansa. Tähän kuluvaa aikaa sanotaan atomin elinajaksi.

Tosin peili ei ole mikään aluminoitu lasinpalanen eikä atomikaan ole todellinen. Ja vaadittava lämpötila on hyvin alhainen: 30 mK eli kolme sadasosa-astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Tutkijat jäljittelivät atomia suprajohtavalla virtapiirillä, joka saatiin käyttäytymään samalla tavalla kuin aito atomi. Keinoatomi voidaan virittää energialla, jonka se sitten säteilee valona. Tai jos tarkkoja ollaan, säteilyn aallonpituus on paljon näkyvää valoa pidempi: atomi säteilee mikroaaltoja.

"Peilinä" toimi toisessa virtapiirissä oleva oikosulku. Keinoatomin etäisyyttä ei muutettu fyysisesti, vaan säätämällä "atomin" resonanssitaajuutta. Koe oli siis kaikilta osiltaan käytännössä simulaatio, mutta ominaisuuksiltaan tilanne vastasi tilannetta, jossa atomin elinaikaa pystytään muuttamaan hallitusti.

“Olemme osoittaneet, että pystymme säätelemään atomin elinaikaa hyvin yksinkertaisella tavalla”, sanoo tutkimusta johtanut Per Delsing. 

"Voimme säädellä atomin elinaikaa muuttamalla sen etäisyyttä peilistä. Jos sijoitamme atomin tietylle etäisyydelle peilistä, atomin elinaika muuttuu siten, että emme pysty edes havaitsemaan sitä. Käytännössä voimme piilottaa atomin peilin eteen."

Koejärjestely toteutettiin Chalmersin kokeellisten ja teoreettisten fyysikoiden yhteistyönä. Jälkimmäiset kehittivät teorian siitä, miten atomin elinaika riippuu sen etäisyydestä peiliin.

"Syynä atomin 'kuolemaan' eli paluuseen perustilaansa on, että se 'näkee' sähkömagneettisessa kentässä hyvin vähäisiä vaihteluita, tyhjiön fluktuaatioita, jotka ovat kvanttiteorian sanelemia", toteaa Göran Johansson, tutkimuksen teoriapuolta selvittäneen ryhmän vetäjä.

Kun atomi sijoitetaan peilin eteen, se vuorovaikuttaa peilikuvansa kanssa siten, että atomiin kohdistuvat tyhjiön kvanttifluktuaatiot muuttuvat. Atomin elinajan tarkastelun ohella koejärjestely soveltuukin myös hankalasti mitattavien fluktuaatioiden tarkasteluun.

Tutkimuksesta kerrottiin Chalmersin teknillisen korkeakoulun uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Moa Carlsson & Lisa Kinnerud, Krantz NanoArt

Kvanttifysiikan mukaan ei kovinkaan tyhjä. Werner Heisenbergin 1920-luvulla kehittämän epätarkkuusperiaatteen mukaan sähkö- ja magneettikentät eivät koskaan voi samanaikaisesti kadota tyystin. 

Siksi jopa "täydellisessä" tyhjiössä ja pilkkopimeässä tapahtuu pieniä sähkömagneettisia fluktuaatioita, joiden ansiosta tyhjiö ei ole täydellinen.

Suoraa havaintoa tästä vähäisestä väreilystä on pidetty mahdottomuutena, joten tutkijat ovat joutuneet tyytymään epäsuoriin mittauksiin, esimerkiksi virittyneistä atomeista lähtevän spontaanin emission ja alkuräjähdyksen seurauksena syntyneiden maailmankaikkeuden rakenteiden tarkasteluun.

Konstanzin yliopistossa on nyt onnistuttu tekemään mahdottomasta mahdollista. Alfred Leitenstorferin johtama tutkijaryhmä on pystynyt mittaamaan tyhjän avaruuden perustilan ominaisuuksia.

"Huipputarkkuuden ansiosta pystyimme havaitsemaan ensimmäisen kerran, että meitä ympäröivät kaiken aikaa sähkömagneettisten tyhjiöfluktuaatioiden kentät", toteaa Leitenstorfer.

"Mittauksessamme oli tieteellisesti yllättävää ja kiehtovaa, että pystyimme tarkastelemaan suoraan kvanttijärjestelmän perustilaa muuttamatta sitä."

Yksi kvanttifysiikan ongelmia ja samalla perusasioita on, että hiukkasmaailman mittakaavassa mittaukset vaikuttavat mitattaviin asioihin.

Tyhjiön fluktuaatioita voidaan ajatella kvanttikentän värähtelynä, jonka jakauma on satunnainen. Se muuttuu kaiken aikaa, mutta saadut lukemat värähtelyjen voimakkuudesta kasvavat, kun mittauksessa käytetty aikaväli ja matka pienenevät.