Seksjonen Fra forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU, Cicero, Universitetet i Oslo, Universitetet i Tromsø, Universitetet i Sørøst-Norge og NMBU.

Kvantefysikk

45 år gammel norsk teori ble brått nobel-aktuell

Nye eksperimenter kan ha bekreftet en teori som ble klekket ut foran en krittavle i Oslo på 1970-tallet. Møt de gåtefulle anyon-partiklene.

Jon Magne Leinaas overlater til andre å svare på om de nye eksperimentene er et gjennombrudd for anyon-teorien.
Jon Magne Leinaas overlater til andre å svare på om de nye eksperimentene er et gjennombrudd for anyon-teorien. (Foto: UiO)

Nye eksperimenter kan ha bekreftet en teori som ble klekket ut foran en krittavle i Oslo på 1970-tallet. Møt de gåtefulle anyon-partiklene.

  • energi

Hvert år når det nærmer seg annonseringen av nobelprisene i oktober, starter spekulasjonene og veddemålene om hvem som fortjener årets priser. De vitenskapelige prisene har hemmelige nominasjoner, så en vet aldri hvem kandidatene er. I år seiler to nordmenn opp blant mulige mottakere av fysikkprisen. Teorien deres fra 1970-tallet har lenge blitt regnet som verdig en pris, dersom den skulle bli bekreftet i eksperimenter. Og eksperimentene kom i fjor, så denne høsten er ekstra spennende for norske fysikere.

Historien starter midt på 1970-tallet. To unge fysikere, Jon Magne Leinaas og Jan Myrheim, jobber som vitenskapelige assistenter ved Universitetet i Oslo. De foreleser i kvantefysikk, og stusser begge over en lite overbevisende utledning i lærebøkene.

For å forstå litt mer om hva de etterhvert skulle oppdage, må vi bevege oss ned i den fascinerende virkeligheten på de minste skalaene, hvor ting ikke fungerer helt som vi er vant til. 

Todeling av kvanteverdenen

En etablert sannhet i partikkelfysikken er at det skal finnes to, og bare to, hovedtyper av partikler. De er enten bosoner, som fotonet og Higgspartikkelen, eller fermioner, som elektronet og kvarkene, som er byggesteinene i alle grunnstoffene.

Denne todelingen har enorm praktisk betydning. Fermionene nekter å opptre likt, eller sagt på kvantemekanisk: De er tvunget til å være i hver sin kvantetilstand. Denne tvangstrøya sørger for at elektronene i atomene okkuperer hver sin plass omkring atomkjernen og gir oss hele periodesystemet av ulike grunnstoffer.

De røde bosonene oppfører seg gjerne kollektivistisk og på samme energinivå, mens de blå fermionene holder seg på avstand av hverandre og har ulik energi. Illustrasjon: Maria Hammerstrøm

Bosonene er grunnleggende annerledes. De vil gjerne være i samme kvantetilstand. En laser er et slående eksempel på bosoner, i dette tilfellet lyspartikler, som marsjerer i takt: Nøyaktig samme bølgelengde og samme retning.

De to kollegene Myrheim og Leinaas ved UiO syntes «beviset» for denne todelingen var noe ullen.

Hva hvis verden er flat?

– Jan og jeg oppdaget at vi begge hadde tenkt at utledningen var mangelfull, forteller Jon Magne Leinaas. Men det er enkelt å godta gamle sannheter, når mange har gjort det før deg.

De to møttes til diskusjoner ved krittavla og regnet seg etterhvert fram til at hvis verden er flat, eller i 2D om du vil, ville det være flere muligheter enn bosoner og fermioner.

Men vi lever jo i tre romlige dimensjoner, innvender du kanskje nå? 

– At rommet er tredimensjonalt, er én ting, men at bevegelsen til partikler kan begrenses til en og to dimensjoner, er en annen ting, påpeker Leinaas.

– Vi hadde ikke dengang kjennskap til noe kvantemekanisk system hvor det var tilfelle og spekulerte heller ikke over det. Desto mer overraskende var det da det noen få år senere ble påvist systemer som stemte overens med det vi teoretisk hadde påvist, sier han.

Med utvikling på eksperimentfronten har det etterhvert blitt mulig å lage 2D-materialer for å studere fenomenene i praksis, og i en moderne databrikke lever elektronene i realiteten i en todimensjonal verden. Karbonmaterialet grafén, som EU har satt av 1 milliard euro til å forske på, er ett atomlag tynt – og dermed et 2-dimensjonalt materiale.

Havnet nesten i glemmeboka

Det drøyde en stund før arbeidet til de to UiO-fysikerne ble skrevet ned, delvis fordi Leinaas dro til Stony Brook i New York og Myrheim til CERN.

– Jeg hadde nærmest skiftet fagfelt og jobbet med kjernefysikk mens jeg var ved Stony Brook, men i løpet av vårsemesteret i New York ble jeg enig med Jan om at vi burde få samlet i artikkelform det vi hadde funnet ut om systemer av identiske kvantemekaniske partikler, forteller Leinaas.

Etter noen brevvekselvirkninger fram og tilbake hadde de i august 1976 et ferdig produkt.

On the Theory of Identical Particles ble publisert i januar 1977, i det italienske fysiske selskapets tidsskrift Il Nuovo Cimento, et populært sted å publisere på den tiden.

Jon Magne Leinaas  ved dør.
Seksjonen for teoretisk fysikk på UiO har sørget for å bruke Jon Magne Leinaas' artikkel som folie på glassveggen inn til kontoret hans. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

Deretter ble det stille. De første årene var det nesten ingen som tok notis av arbeidet til de to norske fysikerne, men så dukket det opp overraskende resultater fra eksperimenter.

Overraskelser fra laboratoriet

I 1980 gjorde den tyske fysikeren Klaus von Klitzing forsøk med transistorer ved et laboratorium i Grenoble. Natt til 5. februar, rundt klokka to, forteller han selv, fikk han et uventet resultat.

Det viste seg at når elektroner bare kan bevege seg i en flate, i lav temperatur og påsatt et sterkt magnetfelt, vil spenningen variere trinnvis med endringer i magnetfeltet. Kvantehalleffekten var oppdaget.

Verdiene som spenningen kan ha, er en kombinasjon av fysiske konstanter delt på et heltall, dermed ble fenomenet hetende heltallig kvantehalleffekt.

Men overraskelsene var ikke over med denne oppdagelsen.

– Et par år etter ble det oppdaget nye trinn av spenningen innimellom de heltallige, forteller Leinaas, og dette nye fenomenet ble dermed hetende fraksjonell kvantehalleffekt

– Til å begynne med hadde en ingen forklaring på dette, forteller Leinaas, men etterhvert ble det akseptert at elektronene danner en ny type partikler med en brøkdel av ladningen til et elektron.

Frank Wilczek, senere nobelprisvinner, har foreslått at disse partiklene er en type anyoner.

Wilczek er forøvrig den som kom opp med navnet anyoner, en referanse til at egenskapene deres er «anything» mellom fermioner og bosoner.

– Den første tiden var det lite henvisninger til vår artikkel, så jeg skrev til Wilczek og gjorde ham oppmerksom på arbeidet vårt, sier Leinaas.

Etter dette har Leinaas og Myrheim fått den anerkjennelsen de fortjener. Her er Wilczek i 2017 om hvordan kvantemekaniske partikler interagerer:

 The modern answer to that question is deep, beautiful and surprisingly recent. It emerged in the late 1970s, more than 50 years after quantum mechanics matured, and it was catalyzed by the pioneering work of Jon Leinaas and Jan Myrheim.

Anyon-kollisjoner

Forsiden på magasinet Science.
Partikkelveikryss slik en illustratør har tenkt seg: Fermioner, bosoner og anyoner oppfører seg ulikt når de møtes. Forsiden på Science 10. april 2020.

Én ting er teorien. I praksis har det vist seg å være usedvanlig komplisert å finne anyonene.

Gjennom årene har flere forsøk påvist anyoner indirekte, men i fjor dukket det opp to ulike eksperimenter som begge hevder å ha sett anyoner direkte.

I april 2020 fortalte en gruppe franske forskere at de hadde greid å kollidere anyoner i laboratoriet. Forskerne sammenlikner eksperimentet sitt med et fireveis kryss på en vei, med to veier inn og to veier ut.

– Hvis du sender fermioner, som «hater» hverandre, ned de to veiene, vil de møtes i krysset, men gå hver sin vei etterpå. Sender du bosoner, som liker hverandre, vil de forlate krysset sammen. Anyoner oppfører seg helt annerledes. De har en tendens til å klumpe seg sammen, men ikke så mye som bosoner, forklarer en av de involverte forskerne.

Resultatene stemmer perfekt overens med hva anyon-teorien forutsa.

Partikler med hukommelse

Bare noen måneder senere annonserte amerikanske forskere ved Purdue-universitetet resultatene fra et eksperiment som utnytter et annet av anyonenes særtrekk.

Matematisk kan partiklers bevegelser beskrives av likninger som har samme form som de som beskriver bølger – en bølgefunksjon.

Hvordan like partikler påvirker hverandres bølgefunksjon, avgjør hva slags partikkel vi har med å gjøre. Ta to like bosoner, for eksempel lyspartikler, og la dem snurre omkring hverandre. Bølgefunksjonene som beskriver tilstanden før og etter snurringen, er like.

Gjør du samme øvelse med to elektroner, altså fermioner, er bølgefunksjonene like, men har motsatt fortegn.

Anyoner, derimot, endrer hverandres bølgefunksjoner. Bølgefunksjonen holder faktisk styr på hvor mange ganger og i hvilke mønstre anyonene beveger seg rundt hverandre. Denne egenskapen ved anyoner er det flere forskere, blant annet hos Microsoft, som forsøker å utnytte i kvantedatamaskiner.

Gruppa ved Purdue lot et anyon bevege seg langs en bane som går rundt et annet anyon. Og ganske riktig: Målinger av den elektriske strømmen i systemet hadde «hopp» som tilsvarer at anyonet har endret bølgefunksjon når det går rundt det andre.

Velkommen, anyoner?

«Welcome anyons!» skrev tidsskriftet Nature da de omtalte resultatene fra eksperimentet. Så er det store spørsmålet: Er dette det definitive gjennombruddet for anyon-teorien?

– Det er et godt spørsmål, som det ikke er opp til meg å svare på, det må ekspertene på eksperimenter vurdere, mener Leinaas.

Anyoner er litt midt imellom bosoner og fermioner. Bosoner marsjerer i takt i samme kvantetilstand – på samme energinivå, fermioner holder seg i hver sin tilstand, mens anyonene grupperer seg i små grupper med nesten samme tilstand. Illustrasjon: Maria Hammerstrøm

Men hvorfor er disse nye eksperimentene så viktige? Var ikke anyonene egentlig oppdaget da den fraksjonelle kvanteeffekten dukket opp på 1980-tallet?

– Anyon-teorien stemmer godt overens med det som er målbart i den fraksjonelle kvantehall-effekten. Men for helt å utelukke andre mulige forklaringer har det vært viktig å kunne påvise direkte at det er anyoner til stede, forklarer Leinaas.

– Å vise dette eksperimentelt har imidlertid vist seg å være svært vanskelig, ikke minst fordi det er kompliserte eksperimenter. Begge de nye eksperimentene har vært presentert som løsninger på dette problemet, og de har fått svært positive omtaler av flere spesialister på området, fortsetter han.

Tanker om nobelprisen

En som har fulgt utviklingen innen fagfeltet, er Leinaas’ tidligere student Henrik Røising. Han har en doktorgrad fra Oxford og er nå postdoktor i Stockholm. 

– Personlig synes jeg Purdue-eksperimentet virker ganske overbevisende. Forskerne har gjort en svært ærlig og transparent analyse og en grundig jobb med å forstå en rekke aspekter ved dataene sine. Det er veldig spennende at man omsider har en så klar indikasjon på at anyoner eksisterer i kvantehall-systemet, sier han.

– Om anyonteorien er verdig en nobelpris, vet jeg ikke om jeg har historisk eller faglig tyngde til å uttale meg om, men det er nok definitivt «oppe og nikker» blant nobelprisverdige bidrag i fysikken, mener Røising.

Instituttleder Susanne Viefers på Fysisk institutt på UiO er ikke i tvil om at anyon er nobelmateriale:

– Jeg mener bestemt at oppdagelsen til Jan og Jon Magne er i nobelprisklasse. Den er et fundamentalt, varig og betydningsfullt bidrag til fysikken. Det som har manglet som en endelig bekreftelse på anyonenes eksistens, har vært en overbevisende, direkte eksperimentell observasjon av den statistiske fasefaktoren.

– Denne brikken mener jeg falt på plass med eksperimentene fra 2020. Hvis nobelkomiteen ser det på samme måte, vil jeg si at tiden er moden. Jeg skal i hvert fall følge godt med på annonseringen av årets pris, sier hun.

Denne artikkelen ble først publisert i Titan.uio.no

Les også

 

 

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå