5. januar 2021

ERC bevilling til at udvikle fononiske kvantesensorer på Niels Bohr Institutet

Bevilling:

European Research Council (ERC) har bevilget et såkaldt Consolidator Grant til Albert Schliesser, profesor ved Niels Bohr Institutet (NBI), ved Københavns Universitet. Professor Schliessers forskningsgruppe har oparbejdet et ry for pionerarbejde indenfor måling og styring af bevægelser med en præcision, der strækker sig helt til hvor den fundamentale og sommetider temmelig bizarre kvantemekanik styrer. Til dette formål har gruppen opfundet tynde membraner med et særligt fononisk mønster af huller, hvis vibrationer kan måles særligt præcist.

Albert Schliesser
Albert Schliessers forskningsgruppe har oparbejdet et ry for pionerarbejde indenfor måling og styring af bevægelser, og har bl.a. forsket i tynde membraner med et særligt fononisk mønster af huller, hvis vibrationer kan måles særligt præcist.

Med bevillingen fra ERC bliver det nu muligt at forske i udviklingen af disse enheder til en sensor-platform med hidtil uset præcision. Anvendelsesmulighederne dækker både grundlæggende kvanteforskning og teknologi, og strækker sig fra fundamentale tests af kvantemekanik til nye tilgange til nanoskala-mikroskopi. Bevillingen løber over en periode på 5 år.

Superposition: at være i to forskellige tilstande på én gang

Professor Schliesser forklarer: ”skal man sige det meget enkelt, har vi ét stort, gyldent mål. Nemlig at måle kræfter i kvante-superposition. Hvad vil det nu sige? At sige, at noget er i stand til at befinde sig i superposition betyder, at det har evnen til at være i to forskellige tilstande på én gang.

Membranen har et mønster af huller, en tynd silicium nitrid membran (hvid) er strukket ud i en silicium ramme (blå).

Når vi taler om vores membran (se billedet til højre) – vores kraft-måler – betyder det, at den kan pege op og ned på samme tid. Vi vil gerne se, om vores – temmelig store – kraftmåler, rent faktisk bevæger sig i begge retninger på samme tid. Det er i hvert fald hvad kvantemekanikken forudsiger”. Superposition anses normalt for at være en egenskab, som hører til meget mindre objekter. Elektroner kan fx udøve sådan en kraft via deres egenskab, ”spin”, og opfører sig i dette tilfælde som en lille magnet. Her taler vi blot om en kvantemagnet, hvis poler kan være orienteret i to retninger på samme tid, et godt eksempel på kvante-superposition. Superposition princippet er en kerne-grundsætning i kvantemekanikken, som siger at et objekt kan befinde sig i to forskellige tilstande, ja, selv to forskellige placeringer - på samme tid.

Siden kvantemekanikken blev introduceret af Bohr, Heisenberg og andre for ca 100 år siden, har der fundet talløse eksperimenter sted, som har bekræftet at mikroskopiske objekter, såsom elektroner eller atomer opfører sig på denne måde. Men storskala superpositioner er aldrig observeret med store objekter, som kan ses med det blotte øje. Det er stadig et åbent spørgsmål hvordan det kan være? Måske er det blot et spørgsmål om teknologisk udvikling, målingernes følsomhed eller måske er der nogle fundamentale mekanismer på spil, som forhindrer det? - som vi blot ikke kender endnu?

”Det er her de fononiske membraner kommer ind”, siger Albert Schliesser. ”De er helt unikt velegnede til dette formål”, siden de kan detektere de absolut mindste kræfter.

Bevillingens fleksibilitet giver mulighed for at udforske mange facetter af fononiske sensorer

”Projektet løber over 5 år, og det er fleksibelt og generøst. Det gør det ikke kun muligt at forfølge ambitiøse mål, men også at se til højre og venstre undervejs, for at opdage andre spændende muligheder”, forklarer han. Det er anden gang, Albert Schliesser har fået en ERC bevilling. Første gang var et ”starter grant” i 2015, så han har lidt erfaring. Og der er allerede opnået et interessant, afledt resultat. Membranerne kan anvendes til udviklingen af en ny type såkaldt ”atomic force microscope” (AFM). I et AFM scanner en lille spids overfladen af et materiale. Når spidsen nærmer sig overfladen, udvirker spidsen og overfladen en lille kraft på hinanden. Det medfører en lille ændring i spidsens vibrationsmønster og indikerer afstand og egenskaber ved overfladen. På den måde kan man opbygge et billede af en overflade, og man kan fx danne billeder af virus, molekyler eller endda enkelte atomer. Men nogle af de mest krævende varianter af AFM har ikke tilstrækkelig følsomhed. Hvis man derfor i stedet placerer sit prøvemateriale på membranen og lader membranen foretage vibrationerne i stedet for spidsen, kan følsomheden forbedres. Dette kunne betyde, at man bliver i stand til at danne billeder, som hidtil ikke har kunnet opnås med disse varianter af AFM. ”Sammen med vores samarbejdspartnere i ETH Zürich har vi allerede kunnet demonstrere nogle elementer af denne tilgang, og har optaget billeder af vira ved at anvende membranen som sensor. Det virker meget lovende”, siger Schliesser. Et af de mere præcise mål for denne gren af forskningen er at skabe nye teknikker til billeddannelse til anvendelse indenfor nanoscience, særligt nanobiologi.

Endnu et aspekt af bevillingen er at manipulere kvantestøj ved lysstråler, hvilket er en stor begrænsning for tyngdebølgemålinger (GWD).

GWD er det seneste skud på stammen indenfor astronomiske observationsmuligheder. GWD detekterer bevægelse i rummet forårsaget af store masser, som fx sorte huller, ved at måle hvordan de skubber og trækker i test-masser på Jorden. Laserlys anvendes til at måle testmassernes bevægelser. ”Det teknologiske niveau ved disse instrumenter er formidabelt, og alligevel er der altid noget, der kan forbedres. Den del af universet, vi kan observere, vokser hurtigt ved selv små forbedringer i sensitiviteten. Derfor er den helt rigtige manipulering af lysstrålers kvantestøj en opgave, der er værd at tage fat på. Igen, dette er ikke projektets fokus, men hvis vi kunne bidrage til denne store videnskabelige opgave, ville det helt sikkert være anstrengelserne værd”, forklarer Albert Schliesser.