Atom chips

Magnetiske felter på en mikrochip kan frembringe små, kohærente skyer af atomer kaldet Bose-Einstein kondensater. Chips kunne have anvendelser i ultrapræcise sensorer til fly og i kvanteberegning

Jakob Reichel*

Indhold:

Indledning
Et magnetisk landskab
Magnetiske rør
Box: Afkøling af en gas af atomer
Mere at udforske

Indledning

Et århundrede efter dens undfangelse fortsætter kvantemekanikken med at være en forstyrrende teori. Den fortæller os, at vi skal tænke på alt stof som bølger og alligevel er disse stofbølger i alt stof, der omgiver os, alt for små til at blive set. Skønt kvantemekanikkens love menes at gælde for genstande af alle størrelser - fra elementarpartikler til universet som helhed - ser vi sædvanligvis ikke stofbølger eller nogen anden kvanteadfærd i vor dagligdags verden.
    På en eller anden listig måde, som fysikere stadig ikke fuldstændigt forstår, skjuler kvantemekanikken sine mærkelige virkninger, når mange partikler vekselvirker på en uordnet måde eller når temperaturen stiger lidt over absolut nul - dvs. når som helst tingene bliver en lille smule komplicerede, som de sædvanligvis gør i den makroskopiske verden. Som resultat heraf tenderer kvantefænomener til kun at være forbundet med elementarpartiklernes verden og med abstrakte tankeeksperimenter som den berømte, men mystiske Schrödingers Kat, der eksisterer i en kvantetilstand, som samtidig er levende og død.
    Fornylig er dette billede imidlertid begyndt at ændre sig. Fysikere lærer at bevare kvantemekanikkens sælsomhed på større og større skalaer og at observere den på mere og mere direkte måder. Et særligt smukt eksempel på denne tendens var opnåelsen af et Bose-Einstein kondensat (BEC) af atomer i 1995. I et BEC samles hundredetusinder af atomer i den samme kvantemekaniske tilstand. Deres individuelle stofbølger bliver alle eksakt overlejrede. Fordi den resulterende gigantiske stofbølge indeholder så mange atomer, er den let at observere: når en BEC en gang er der, kræver det næsten ikke mere end et videokamera for at se, at stof har en bølgeagtig natur!
    Denne enestående tilgængelighed til stofbølger har skabt et veritabelt BEC boom. Hundreder af forskere, teoretikere og eksperimentatorer, som plejede at arbejde i temmelig forskellige underfelter af fysik, har vendt deres opmærksomhed mod det nye emne. I løbet af de sidste få år har BEC studier givet frisk eksperimentalt liv til mange kvantevirkninger, der tidligere blev betragtet som meget fjerne og utilgængelige i praksis. I denne forstand har BEC forskning gjort kvantefænomener mere virkelige, som en klippe man direkte kan se og sparke til i stedet for noget, man taler om i det abstrakte.
    Selv om BEC'er er lette at observere, plejede dét, at skabe dem, at være en skræmmende opgave: faseovergangen fra en klassisk (ikke-kvante) atomar damp til et kondensat sker ved en yderst lav temperatur - sædvanligvis mindre end en milliontedel af en grad over absolut nul. For at opnå denne temperatur skal atomerne isoleres i en vakuumcelle, holdt svævende i det frie rum af magnetiske felter og nedkølet af laserafkøling og en anden teknik kaldet fordampningsafkøling. Den mindste ukontrollerede vekselvirkning med rumtemperatur-verdenen omkring dem ville ødelægge atomernes skrøbelige kvantetilstand. I de 50 eller flere forskningslaboratorier, der nu er i stand til at producere BEC'er, er den lille sky af ultrakolde atomer sædvanligvis omgivet af adskillige tons højteknologisk udstyr. Ultrahøjt-vakuum komponenter, pedantisk omhyggeligt rengjorte ifølge "voodoo" recepter, frembringer verdens bedste vakua og beskytter atomerne mod de voldsomme kollisioner, der sker i gasser ved rumtemperatur som luften omkring os.

En nøgleteknik i alle disse eksperimenter er magnetisk indfangning - kunsten at lade atomer svæve i det frie rum ved hjælp af magnetiske felter. Fordampningsafkøling kan kun virke i en fælde og magnetiske fælder er dem, der virker bedst med denne afkølingsteknik. Desuden gælder det, at jo stærkere fælden er, jo tættere sammen presses atomerne i et lille rumfang og jo hurtigere og mere effektiv er afkølingen. Som konsekvens blev BEC forskerne vant til at omgive deres vakuumceller med kraftige, men besværlige, elektromagneter. For at få den stærkeste magnetiske sammenpresning udviklede de tunge, vandkølede spoler, ofte lavet af robuste køleskabsrør, som forbrugte mange kilowatt elektrisk kraft. At konstruere og drive disse magnetiske fælder udgjorde en betydelig del af anstrengelserne i BEC eksperimenter.
    På baggrund af denne eksperimentale kompleksitet fandt mange det svært at forestille sig, at BEC'er kunne indsættes i anvendelser i den virkelige verden, som foreslåede rotationssensorer, der en dag kunne tillade fly eller undervandsbåde at navigere med uhørt præcision. Fornylig har nogle bemærkelsesværdige udviklinger ændret denne tingenes tilstand. I særdeleshed kan vi nu fange, bevæge og manipulere atomerne ved hjælp af mikrochips. Et transportabelt kvante laboratorium, som det der skulle bruges til sensor anvendelserne, er ikke længere en vild drøm men et meget konkret forskningsmål.

Et magnetisk landskab

Hvordan kan en mikrochip holde og kontrollere en sky af atomer, som svæver nær dens overflade? Svaret er, ved at drage fordel af de magnetiske felter den naturligt skaber. Mikrochips, som dem der findes i computere, indeholder en kompleks samling af tusinder af mikroskopiske ledninger. Strømme, der flyder gennem disse ledninger, frembringer et magnetisk felt. Sædvanligvis bekymrer ingen sig om dette felt - på enhver makroskopisk afstand fra chippens overflade er feltet umåleligt lille. Meget tæt på ledningerne vokser feltet imidlertid med en styrke, der er omvendt proportional med afstanden. Inden for 100 mikroner fra chip overfladen danner feltet den magnetiske fælde, der ophænger atomskyen i det frie rum. Fordi atomerne er så tæt på ledningerne, er mindre end en watts elektrisk kraft nok til at drive denne magnetiske fælde - den kunne let køre på batteriet fra en bærbar computer. Sammenlign dette med de kilowatt der behøvedes i de traditionelle magnetiske fælder.
    Endnu bedre er, at fælden er meget stærkere end de konventionelle, spolebaserede og at den kan skabe et BEC på mindre end et sekund. Spolebaserede fælder tager sjældent mindre end et halvt minut om at skabe et kondensat. Denne forøgede hastighed er vigtig, fordi eksperimenter på BEC'er typisk skal gentages hundredvis af gange for at opbygge gode statistikker om en række eksperimentale forhold. Hver enkelt kørsel kræver skabelsen af et frisk BEC, hvilket kræver, at et hold atomer skal lades, fanges og afkøles hele vejen fra et godt stykke over rumtemperatur til næsten absolut nul. Den gør også en stor forskel for rotationssensoren, hvor højere hastighed direkte overføres til højere præcision (fordi den reducerer støj).
    Den forøgede hastighed forenkler BEC apparaturet temmelig dramatisk, fordi vakuet kan have 100 gange så meget tilbageværende gas i sig. Problemet med et dårligt vakuum er, at de omstrejfende tilbageværende partikler støt formindsker skyen af fangede atomer ved at kollidere med dem og derved slå dem ud af den magnetiske fælde. Når afkølingen skrider frem hurtigere, er det okay at have flere af disse omstrejfende partikler i systemet, fordi de har mindre tid til at gøre deres skade. Så vakuum teknologien kan være meget enklere: vakuet til et chip BEC behøver næppe være bedre end det, der er inde i et fjernsynsrør. At gøre den magnetiske fælde til en miniature tillader, at også andre dele af apparaturet kan blive små.
    Til trods for disse fordele synes det først oprørende at prøve at opbevare et BEC - som menes at være den koldeste genstand i universet - indenfor hundrede mikron fra en overflade med rumtemperatur (mikrochippens). En sådan overflade udsender hele tiden infrarød stråling, som kan overføre varme til alt, der er tæt på. Hvem ville opbevare isterninger nær en radiator. Som konsekvens heraf involverede det første chip-fælde forslag, som blev fremsat af en gruppe på California Institute of Technology i 1995, at afkøle hele chip'en til nær absolut nul ved brug af en stor og dyr flydende-helium køler. Min egen gruppe ønskede at bevare den tiltalende enkelhed ved chip indfaldsvinklen og valgte i 1997 at arbejde ved rumtemperatur og håbe på det bedste.
    Heldigvis er vore ultrakolde atomskyer meget ulig isterninger. En fast genstand, som en isterning, er meget effektiv til at absorbere varmestråling. De gasformige atomer absorberer imidlertid kun stråling ved visse, skarpt definerede bølgelængder, så gassen absorberer næsten ikke noget af den varme, der udstråles af chip'en. I dag ved vi, at alle termiske vekselvirkninger er ubetydelige på en afstand af 100 mikron og ikke gør nogen skade på den tidsskala et BEC eksperiment har.
    Da ideen om en chip fælde først fremkom, kort efter de første BEC'er var blevet produceret i 1995, var der nogle få drilagtige problemer, der skulle løses, før drømmen kunne gå i opfyldelse. Først skulle en fælde chip naturligvis konstrueres og bygges. At lære, hvordan man gør det, var en enormt lønnende erfaring for mig. Jeg har altid været imponeret over den utrolige fart af fremskridt i mikroelektronik industrien, som står overfor nye udfordringer hvert år men uforsonligt overkommer dem, en efter en, for at opretholde minimeringens hastighed. Som kold-atom fysiker havde jeg kun en vag forestilling om teknologierne bag disse fremskridt. Nu blev jeg involveret i det. Ved at tale med specialister på feltet, konsultere bøger og websteder opdagede jeg tyndfilm hybrid anordninger, som bruger ledere af guld på små keramiske chips, der kan bruges til atom indfangning. Jeg lærte også at sætte pris på mikroelektronik industriens enorme teknologiske kultur, som sædvanligvis bliver bag scenen, skønt vi alle bruger elektronikken, fra TV apparater til notebook computere, der er resultatet af den.
    Da vi havde lært, hvordan en fælde chip kunne fremstilles, stod mine kolleger og jeg på Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching og Ludwig Maximilian University i Munchen overfor problemet med at lade fælden med atomer. Hvad enten man bruger et konventionelt spolebaseret system eller en atom chip, skal atomerne, før de kan fastholdes i den rent magnetiske fælde, afkøles til mikrokelvin temperatur i en magneto-optical trap (MOT). Et essentielt element i en MOT er en samling på seks laserstråler, der bader atomerne på alle sider og ovenfra og nedenfra. Hvordan kan man anvende en MOT, når en chipoverflade kommer i vejen? Chip'en vil uundgåeligt blokere mindst en af strålerne og så virker MOT'en ikke længere.
    Løsningen er, at få en spejlbelægning på chip'en til at reflektere to af strålerne. Hvis laserne og chip'en er placeret på den rigtige måde, kan de reflekterede stråler erstatte de blokerede, MOT'en virker igen og producerer en sky af kolde atomer lige over chipoverfladen. Nogle få yderligere detaljer skulle tages i betragtning (polarisationen af laserstrålerne skal være rigtig), men ideen virkede og systemet kaldes nu en spejl-MOT eller en overflade-MOT. Når atomerne er forkølede i spejl-MOT'en, er det let at lade dem ind i chip fælden: MOT'en slukkes og strømmen gennem ledningerne på chip'en tændes. Når det sker, finder det meste af atomskyen sig fanget i chip'ens magnetiske felt.
    I 1998 anvendte studerende Wolfgang Hänsel, kvanteoptik troldmand Theodor W. Hänsch og jeg denne teknik til at fange og afkøle atomer i den første demonstration af en atomchip på Max Planck Institute. Alligevel var mange forskere skeptiske om fremtiden for den nye teknik til at producere BEC'er, hovedsagelig fordi chipoverfladen er så tæt på de fangede atomer. I sommeren 2002 viste min gruppe og Claus Zimmermanns gruppe på University of Tübingen, også i Tyskland, at tvivlerne tog fejl og skabte uafhængigt BEC'er ved brug af mikrochip fælder. Det var et bemærkelsesværdigt tilfælde, at vore grupper nåede dette længe søgte gennembrud indenfor nogle få dage fra hinanden. Zimmermann (som også havde samarbejdet med Hänsch før han flyttede til Tübingen) har kaldt det en entanglement af ideer, med henvisning til det berømte kvantefysiske fænomen. Mere end et dusin laboratorier i hele verden bruger nu atomchips til BEC eksperimenter.

Den grundlæggende atomchip behøver kun to eller tre ledninger i et enkelt arrangement for at danne en magnetisk fælde. Men meget mere er muligt takket være en anden fordel ved teknikken - måske den vigtigste: fra sine mikroelektroniske forfædre arver atomchip'en alle fordelene ved teknikken til mikrofremstilling. Vi kan udlægge ledningerne i ethvert ønsket mønster, gå rundt i kurver og bugtninger og de kan endda krydse hinanden. Når strømmene bevæger sig gennem disse ledningsarrangementer, frembringer de et komplekst magnetisk landskab, som atomerne kan udforske, hvilket åbner op for fantastiske muligheder til atom manipulation.
    For eksempel demonstrerede min gruppe i Munchen et BEC "transportbånd" ved brug af en chip, der gik et godt stykke hinsides en enkel fælde. Når strømmene, der tilføres ledningerne, moduleres på en passende måde, bevæger en serie potentialebrønde sig hen over chipoverfladen. Regulering af strømmene kontrollerer transportens hastighed og afstanden fra overfladen. Kondensatet kan flyttes og placeres indenfor nogle få nanometer, eller milliarddele af en meter. Dette BEC transportbånd kan blive rygraden i mere komplekse anordninger - for eksempel i kvanteberegning, som jeg diskuterer nedenfor.
    Men BEC transportbåndet er kun et første eksempel. I dag er forskerne kun begyndt at udforske de muligheder der gives ved at forme det magnetiske felt.

Magnetiske rør

Når kredsløbene tager form af to eller tre ledninger, der løber parallelt, danner det magnetiske felt en rørlignende fælde langs hvilken, atomerne kan bevæge sig frit. Det magnetiske rør er stofbølge analogen til en optisk fiber: en stof bølgeleder. Lysbølger i en fiber bevæger sig langs fiberens akse og følger dens vej rundt i kurver. På samme måde bevæger et kondensat sig langs en stof bølgeleder som en stråle af stof. Adskillige forskerhold har udviklet sådanne ledere (både på mikrochips og på større systemer) og teknikkerne til at lade atomer ind i dem.
    Den vigtigste anvendelse, man forestiller sig, er atom interferometri. Enhver form for interferometri involverer at kombinere to bølger, hvilket resulterer i et mønster med høje og lave amplituder, eller lys og mørke. Den meste interferometri udføres med laserstråler, fordi teknikken støtter sig til en egenskab ved laserlys kaldet kohærens, hvilket betyder, at der er en ordnet bølge associeret med hver stråle. Et BEC, der bevæger sig, er meget som en laserstråle, fordi den også er kohærent. Hvis man bringer to kohærente atomstråler sammen produceres interferens - et mønster af "lyse" pletter (masser af atomer) og "mørke" pletter (med få).
    Atom interferometre har i løbet af det sidste årti udviklet sig fra bevis-for-princippet eksperimenter til sensorer, der kan sammenlignes gunstigt med andre moderne sensorer (skønt det kan vare et årti, før de tager springet fra laboratoriet til kommercielle anvendelser i den virkelige verden). Mest bemærkelsesværdigt er, at de kan anvendes til at måle rotation, gravitation og lokale variationer i gravitationen - størrelser, der behøves til navigation i skibe og fly. For eksempel indeholder fly optisk-fiber-baserede interferometre (kaldet laser gyroskoper) til at måle rotation - et uundværligt supplement til det traditionelle kompas. Gyroskoper baseret på atom interferometri kan være adskillige størrelsesordener mere præciseImidlertid resterer der vigtige problemer med chip-baserede systemer, der skal løses. Et er udviklingen af kohærente stråledelere, som deler en stråle af atomer i to stråler. En stråledeler er en af de vigtigste arbejdende dele af ethvert interferometer. For at deleren kan være kohærent skal hvert atom, som en slags Schrödingers Kat, gå langs begge veje i stråledeleren samtidigt - det deleren gør er, at opdele atomets kvantebølgefunktion i to. I kontrast hertil ligner de chip stråledelere, der er blevet demonstreret indtil videre, mere brandslanger: de bryder strålen i stykker for brat og hvert individuelt atom går enten til venstre eller højre i stedet for at gå begge veje samtidigt. Disse "inkohærente" apparaturer kan ikke bruges i et interferometer.

.

     I juli 2004 demonstrerede et samarbejde mellem Eric A. Cornells gruppe fra JILA på University of Colorado at Boulder og Mara Prentiss fra Harvard University et genialt laserbaseret atom interferometer. Forskerne skabte et BEC på en atomchip og med en laserpuls delte de det så i to kohærente dele, der bevægede sig væk fra hinanden. Yderligere pulser bragte de to dele tilbage sammen, så de frembragte interferens.
    Stråledelere er ikke den eneste type apparatur, der udviser problemer med stofbølger. I 2002 så Zimmermanns gruppe og David E. Pritchards (en af opfinderne af atom interferometri) gruppe på Massachusetts Institute of Technology en uventet virkning, da de frigjorde et kondensat ind i en bølgeleder på en chip. I stedet for at se kondensatet sprede ud og fylde lederen til dens ende, som vand der falder til ro i et langt vandret kar, så de det begynde at spredes men så stoppe og dele sig op i fragmenter. Disse små stænk af stof var blevet fanget i meget små rynker i den magnetiske leder.
    I marts 2004 demonstrerede Alain Aspect og hans medarbejdere på Institute of Optics i Orsay, Frankrig med scanning elektron mikroskopi og elegant analyse, at ujævnhed - små afvigelser i ledningerne fra deres ideelle, lige form - er årsagen til disse rynker i den magnetiske bølgeleder. Ledningens små ujævnheder er nok til at få strømmen til at flyde i små kurver og forvrænge det magnetiske felt. Disse ufuldkommenheder i det magnetiske felt er aldrig blevet målt direkte med konventionelle sonder til magnetiske felter. BEC atomerne viste sig at være meget mere følsomme sonder.
    Et andet problem berører meget mere fundamentale virkninger. I eksperimenter, der er udført indtil videre, er BEC atomerne mindst nogle gange 10 mikron fra chip overfladen. Atomernes fascinerede kvantekarakter ville være mere udtalt i endnu mindre fælder, men en sidevirkning ved at gøre de magnetiske fælder mindre er, at de vil holde atomerne så meget tættere på chip overfladen. På disse små afstande - mindre end en mikron - vil atomerne uundgåeligt vekselvirke med overfladen gennem en proces, der kaldes Casimir-Polder kraften. Faktisk blev et tab af atomer fra fælden observeret i et eksperiment, udført af Vladan Vuletic sidst i 2003, en ung professor på M.I.T., da den blev bragt nærmere end omkring 1,5 mikron fra en ikke-ledende overflade.
    Endelig er der en anden virkning, som man må tage hensyn til i mindre fælder, chip overfladens varmemagnetisme. Tænk på en uordnet dynge små magneter i konstant, kaotisk bevægelse. Dette er, hvad et metal ved rumtemperatur ligner ved afstande på under en mikron. På større afstande bliver alle bidragene midlet til nul, hvilket er grunden til, at de ikke er set før nu. Når atomerne bringes meget tæt på overfladen, viser de sig imidlertid endnu en gang at være yderst følsomme sonder. Varmemagnetismen forårsager, at den magnetiske fælde ryster og bevæger sig og efter nogen tid vaskes atomerne overbord. Virkningen blev forudsagt i 1999 af Carsten Henkel fra University of Potsdam - en tysk teoretiker, som blev interesseret i atomchips lige efter, at de blev opfundet - og blev eksperimentelt bekræftet i 2003 af Ed A. Hinds, der nu er på Imperial College London, som tidligere havde fanget kolde atomer med andre usædvanlige midler som videotape.
    Til anvendelser, hvor varmemagnetisme er et problem, findes der adskillige løsninger. Chippen kan afkøles med flydende nitrogen eller selv flydende helium, men dette krav komplicerer apparaturet betydeligt. Som forudsagt af Henkel, og demonstreret i 2003 af Cornells hold, er varmemagnetismen svagere i metaller med højere modstand. Således reducerer brugen af titan, i stedet for kobber eller guld, tabene.
    Bølgeledere, og deres anvendelse i atom interferometere, udnytter en særlig side af atomets kvantemekaniske natur: dets bølgekarakter. Andre kvantemanifestationer kan føre til andre, endnu mere revolutionerende anvendelser. Nutidens stjerne på kvantescenen er kvantecomputeren [se "Rules for a Complex Quantum World," af Michael A. Nielsen; Scientific American, november 2002]. Dette fremtidige apparat vil udnytte overlejringsprincippet (en anden særlig egenskab ved kvanteverdenen) til at udføre visse typer beregninger meget hurtigere, end en klassisk computer kunne. En kvantecomputer fungerer ved at manipulere qubits, kvantemodstykket til bits. En almindelig, klassisk (ikke-kvante) logisk bit kan kun være sand eller falsk, 1 eller 0. I kontrast hertil kan en qubit være i en overlejringstilstand svarende til enhver blanding af sand og falsk samtidigt, som Schrödingers Kat i dens blanding af levende og død.
    I en klassisk computer skal beregninger svarende til forskellige bit tilstande udføres efter hinanden i rækkefølge. Med qubits udføres de alle elegant samtidigt. Det er blevet bevist, at denne egenskab, for visse opgaver, gør en kvantecomputer fundamentalt hurtigere end nogen klassisk computer nogensinde kan være.
    Yndlingsbeskæftigelsen for kvantefysikere i vore dage er, at overveje praktiske måder at lave en kvantecomputer på: med fangede ioner, med store molekyler, med elektronspin - eller måske med BEC'er på atomchips. Ideen er fristende, fordi en sådan kvantechip forekommer så tiltrækkende lig en traditionel mikroelektronik chip og samtidigt så radikalt ny. Komponenter, som atom transportbæltet, kunne bruges til at bringe qubits sammen for at vekselvirke på en kontrolleret måde.
    Således er kondensatet på en chip begyndelsen til en fortælling. Som det så ofte sker i videnskab, kendes fortællingens handling ikke på forhånd, og skuespillerne selv opdager den i små trin. Som i fortiden vil der dukke overraskelser op - behagelige og ubehagelige. Nogle forhindringer vil blive fjernet; andre vil tvinge forskerne til at ændre retninger. Hvad vi end finder ud af, vil det hjælpe med til at bringe den klassiske verden og kvanteverdenen tættere sammen på videnskabens scene.

Mere at udforske

Magnetic Chips and Quantum Circuits for Atoms E. Hinds i Physics World, Vol. 14, No. 7, siderne 39-44; juli 2001.

Special section on Ultracold Matter. Nature, Vol. 416, No. 6877, siderne 205-246; 14. marts, 2002.

Coherence with Atoms. Mark A. Kasevich i Science, Vol. 298, No. 5597, siderne 1363-1368; 15. november, 2002.

Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching) Microtrap Group: www.mpq.mpg.de/~jar

University of Heidelberg Atom Chip Group: www.atomchip.org

* Jakob Reichel opnåede sin PH.D. fra École Normale Supérieure (ENS) i Paris. I sin tesis brugte han en laserkølemetode til at opnå da rekordlave temperaturer. Han returnerede til sit hjemland Tyskland i 1997 for at arbejde på Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching og Ludwig Maximillian University i Munchen. Der etablerede han sammen med Theodor W. Hänsch en lille gruppe, der var pionerer i at bruge mikrofabrikationsmetoder til kold-atom manipulation. I sommeren 2004 modtog Reichel en European Young Investigator belønning og tog en stilling på ENS i Paris, hvor han opretter en mikrofælde forskningsgruppe. Som gift med en babysøn finder han inspiration ved at spille viola i en strengkvartet med gode venner.

Oversat fra Atom Chips, Scientific American, februar 2005, ss.32-39.

22. januar, 2006.

Indhold
Index