Kvantmekanik är en övning i tålamod

Vi tittar på något som ser ut ungefär som en vit tunna. Den ser inte särskilt spännande ut, men inne i den finns en experimentuppställning där Witlef Wieczorek vill testa kvantmekanikens gränser.

– Vi har ett chip med spolar på, som vi kör ström igenom för att skapa ett magnetiskt fält och fånga en supra­ledande partikel, berättar han.

Partikeln är en mikroskopisk metall­kula som kyls ner tills den blir supraledande och alltså leder ström helt utan motstånd. När kulan är supraledande har den en märkvärdig effekt på magnetfält, som stängs ute och böjs av runt den. Det här kallas för Meissnereffekten, och i det tillståndet kan kulan hållas svävande i magnetfältet utan att röra vid något runtomkring. Det finns inget fönster, men tunnan är full av instrument som kan läsa av vad som händer med kulan där inne.

Just nu svävar tyvärr inte kulan i den vita tunnan. Den ligger där inne och väntar på att allt ska fungera, så att det går att genomföra experimentet.

– Vi kämpar med detektionen för närvarande, säger doktoranden Martí Gutierrez Latorre.

Han har jobbat ett par veckor med att söka efter kortslutningar, och han funderar också över hur han kan skärma av störningar från alla kablar runtomkring.

Det är mycket som måste fungera. Själva experimentets delar är också så små att det är svårt att hantera dem. Martí Gutierrez Latorre visar mikroskopet där han manipulerar de små kulorna som används. Med hjälp av en metallspets kan han plocka upp en kula och sätta den där han vill ha den. I den mikroskopiska världen uppför sig alla material som om de är mycket klibbiga, och kulan fastnar helt enkelt på spetsen så att det går att lyfta upp den.

Den här klibbigheten kan vara praktisk för att lyfta små saker, men också svår att hantera.

– Den är det starkaste man kan tänka sig, säger Martí Gutierrez Latorre.

Problemet är att släppa kulan på det ställe där den ska vara. Martí Gutierrez Latorre visar att han har en liten sladd till skaftet på sitt spetsiga verktyg. Han kan trycka på en knapp och få spetsen att vibrera, för att kunna skaka loss kulan om den inte vill stanna kvar där han försöker placera den.

Den här klibbigheten är visserligen en skillnad mellan den mikroskopiska världens fysik och hur saker fungerar på mänskliga skalor, men det är helt annan fysik som är i fokus för experimentet. Kvantmekaniken är något som vanligtvis tillämpas bara på atomer och molekyler – partiklar som kan uppföra sig som om de vore utspridda på flera ställen samtidigt, eller snurra både på en ledd och på en annan ledd på en och samma gång. Men i världen vi uppfattar omkring oss uppför sig saker inte på det sättet. Någonstans går kvantegenskaperna förlorade.

– Det finns en okänd övergång mellan kvantvärlden och världen som vi känner den. Vi vill göra större saker och se var övergången är, säger Witlef Wieczorek.

Den svävande kulan är väldigt liten på en mänsklig skala, men den är mycket större än de största föremål som hittills har visat sig ha relevanta kvantegenskaper. När den svävar är den isolerad från mekaniska vibrationer och störningar. Tanken är att försätta kulan i ett tillstånd där det går att visa att den samtidigt har två olika lägen, en liten bit ifrån varandra. Om det fungerar är det intressant att se om den uppför sig enligt teorin, eller om det finns avvikelser som kan leda till ny fundamental förståelse för kvantmekanikens gränser.

Witlef Wieczorek kom hit till Chalmers för fyra och ett halvt år sedan. Han har byggt upp forskargruppen och laboratoriet från grunden.

– Det var helt tomt här, det fanns inte ens golv, säger han.

I rummet bredvid pågår en annan typ av försök med mikroskopiskt små föremål. Här handlar det om kopplingar mellan ljus och mekaniska rörelser. Sådana kopplingar kan användas både för att utveckla nya och känsliga sensorer, och till att utforska fundamentala frågor i kvantfysiken.

Doktoranden Sushanth Kini är i färd med att justera inställningar på olika komponenter på ett optiskt bord. Han visar chip med strukturer som han har tillverkat i renrumslaboratoriet här på Chalmers.

– Varje prick är stor som tjockleken på ett hårstrå, säger han.

En typ av experiment här handlar om att mäta extremt små rörelser, och kunna göra det med mycket mindre ljus än vad som används i olika sensorer i dag. Ett annat spår är att använda de små mekaniska komponenterna för att mäta ljus – till och med enskilda fotoner (ljuspartiklar).

Det gäller att vara tålmodig och noggrann. Damm och skräp kan förstöra allt. Och återigen behövs många olika delar som ska fungera tillsammans för att hela experimentet ska fungera.