I det kvanteoptiske laboratorium på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet finder man et lille glasrør, der kun er 10 millimeter lang og 0,3 millimeter i diameter. Glasrøret rummer en sky af cæsium-atomer - cirka 100 millioner af dem.
Alle atomerne drejer om sig selv på samme måde, og tilsammen kan de fungere som en sensor, der kan måle uhyre små magnetfeltet med meget stor præcision.
Atomerne opfører sig som små, magnetiske snurretoppe. Når de påvirkes af et magnetfelt, ændres rotationsaksen, og det er den ændring, som forskerne nu kan måle uhyre præcist.
Det er sværere, end det lyder, for i atomernes verden hersker kvantefysikken, som sætter begrænsninger for, hvor præcise målinger man kan udføre. Naturlovene sætter simpelthen grænser for, hvor meget vi kan finde ud af om naturens mindstedele.
Man kan nemlig ikke undgå at forstyrre systemet, når man måler på det, så normalt er det sådan, at jo mere, man måler, desto mindre præcise bliver målingerne.
Disse love kan ikke brydes, så det gælder om at finde snedige metoder til at omgå dem i stedet og måle så nøjagtigt, som det overhovedet lader sig gøre. Det er præcis, hvad forskerne fra Niels Bohr Institutet har gjort. De kan nu foretage målinger med større følsomhed, end det typisk er muligt inden for kvantefysikkens begrænsninger.
Tricket er at måle i én retning
\ Fakta
Inden for kvantemekanik er Heisenbergs ubestemhedsrelationer helt centrale. De fortæller, at nogle fysiske størrelser ikke kan bestemmes præcist på samme tid - at der er grænser for, hvad vi kan måle. Læs mere i artiklen Naturen er ubestemmelig og umålelig.
Fysikerne har nemlig fundet ud af, hvordan man gentagne gange kan måle på atomerne, uden at det går ud over præcisionen. Til gengæld er målingerne af atomernes spin-retning kun præcise i én retning. Derfor kan de kun bruges til at måle den del af et magnetfelt, der peger i en bestemt retning, men det kan de til gengæld gøre uhyre nøjagtigt.
De eksperimentelle resultater fremlægges i en artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature Physics, og medforfatter Eugene Polzik, der er professor på Niels Bohr Institutet, forklarer:
»Vi kan få alle atomerne til at rette ind, så deres akse peger i samme retning. Men der er en kvante-usikkerhed på retningen. Den usikkerhed vil vi gerne reducere. Det kan vi ikke gøre i alle retninger, men det er ok, hvis jeg er mest interesseret i at måle præcist i én af retningerne, som vi kan kalde nord-syd.«
»Når vi måler på nord-syd-retningen, forstyrrer vi systemet - det får et tilfældigt spark i øst-vest-retning. Vi får information om, hvordan atomernes spin er orienteret i nord-syd-retning, men det sker på bekostning af viden om orienteringen i øst-vest-retningen.«
Særlig overfladebehandling gjorde det muligt
Eksperimenterne foregår ved almindelig stuetemperatur, og det betyder, at atomerne har fart på og konstant bumper mod glasrørets sider. Sådanne kollisioner ville normalt resultere i, at atomerne ændrer spin-retning, men det sker ikke her. Forskerne har nemlig udviklet en teknologi til at give glasset en særlig overfladebehandling indvendig, så atomerne ikke ændrer spin-retning, når de rammer siderne.
Så spin-retningen forbliver altså den samme, og ved hjælp af pulser af laserstråler kan retningen - eller i hvert fald dens øst-vestlige komponent - måles ekstremt præcist.
»Det er en snedig måde at omgå kvantefysikkens grænser,« siger Nikolaj Zinner, der er lektor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.
»De vinder en stor sikkerhed omkring én variabel, men opgiver så sikkerheden på den anden variabel - man kan sige, at de presser citronen ét sted og opgiver at holde styr på noget andet.«
»Og så skyder de papegøjen ved at bruge den kollektive tilstand, der er så robust, at eksperimenterne kan foretages ved stuetemperatur.«
Stuetemperatur er en kæmpe fordel
Ofte er det nødvendigt at nedkøle sensorer til få grader over det absolutte nulpunkt, hvis de virkelig skal være følsomme. Det er besværligt og dyrt at nedkøle sensorer, så det er en kæmpe fordel, at denne sensor virke ved stuetemperatur, fortæller Nikolaj Zinner.
Eugene Polzik håber, at den nye type sensor kan bruges til medicinske skanninger, og i laboratoriet er fysikerne allerede i gang med at lave forsøg i samarbejde med læger fra Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet.
De måler de svage magnetfelter, der frembringes af nerveceller.
Ud over medicinsk brug kan Nikolaj Zinner forestille sig, at den nye type sensor kan bruges i geologisk sammenhæng og ud fra små variationer i magnetfeltet give et mere præcist billede af, hvad der er i undergrunden. Men egentlig er det kun fantasien, der sætter grænser for, hvor den ultrafølsomme magnetfeltssensor kan anvendes.
