Hver gang du hører en lyd, er der vibrationer i luften. Sætter du eksempelvis et stykke musik på stereoanlægget sætter højtaleren gang i vibrationer i luften.
Vibrationerne forplanter sig som lydbølger og rammer til sidst din trommehinde som musik. Når du skruer ned for lydstyrken, bliver vibrationerne svagere, indtil lydstyrken bliver så lav, at du ikke længere kan høre musikken.
Men de enkelte lydpartikler, der udgør vibrationerne, er stadig på spil. Disse partikler kaldes fononer.
Alt, hvad vi normalt kender som lyde, hvad enten det er høj musik eller en knappenål, der rammer gulvet, producerer så mange fononer, at de er umulige at tælle.
Energien fra én fonon er så lav, at det ville kræve omkring en kvadrillion fononer at holde en lyspære tændt i ét sekund – svarende til omkring en million gange antallet af sandkorn på hele Jorden.
Med så mange fononer i selv meget svage lyde er det svært at forestille sig, at enkelte fononer kan isoleres.
Men det er nu lykkedes for forskere fra Stanford.
Normalt er atomerne i et materiale arrangeret i et gitter, men vibrationer fra lydbølger får atomerne til at svinge og flytte sig.
Lydens mindste bestanddel får klange til at knitre
Når lyd rejser, sker det som vibrationsenergi, der kan bevæge sig i bølger gennem et materiales atomer.
Atomerne er normalt ordnet i et gitter, men bølgen forstyrrer gitterstrukturen, så atomerne nu begynder at vibrere sammen med bølgen.
Selve vibrationsenergien kommer i små pakker, der kaldes fononer – den mindste bestanddel af lyd.
De lyde, du hører i dagligdagen, er udgjort af mange flere fononer, end man kan tælle.
Normalt bruges fononer derfor kun til at beskrive vibrationsenergier, der er så små, at de er umulige at høre for det menneskelige øre.
Men hvis man kunne høre de lave vibrationer, ville man ikke opleve en sammenhængende lyd. Fononerne kommer kun én ad gangen, og der kan ikke lægges halve eller kvarte fononer til.
Resultatet ville derfor være en knitrende snarere end en jævn lyd.
Forskerne har udviklet en mikrofon, der kan måle enkelte fononer og dermed opfange de laveste lyde.
Gennembruddet kan blandt andet bruges til at sende information mellem supercomputere hurtigere end i dag, hvor teknikken er baseret på fotoner – de partikler, der udgør lysbølger.
Gode vibrationer afslører fononer
Allerede i 1907 forholdt Albert Einstein sig til vibrationer, da han skulle beskrive, hvordan faste stoffer opfører sig.
Vibrationerne blev dog ikke forbundet med lyd før 1932, da den sovjetiske fysiker Igor Tamm opdagede, at lyd var udgjort af vibrationer. Samtidig indførte fysikeren ordet fonon.
Fordi de er så små, kan fononer ikke måles direkte, men til gengæld adlyder de kvantemekanikkens principper: Energien i vibrationerne er begrænset til bestemte tilstande kaldet kvantetilstande.
Den viden har forskerne brugt til at skabe en kvantemikrofon, der kan opfange fononer.
Kvantetilstande fungerer som trappetrin. Når du står på en trappe, kan du stå på ét bestemt trin, men du kan ikke stå mellem to trin.
På samme måde bruger fysikere fononerne til at tælle trin. I kvantemekanikken kaldes disse trin for Fock-tilstande.
En vibration kan være i en 1-fonon-tilstand, 2-fonon-tilstand og så videre, men den kan ikke befinde sig mellem to tilstande.
Fock-tilstandens energi kan måles, og da den kan blive oversat direkte til antallet af fononer, kan man finde det præcise antal fononer, hvis bare man kender energien.
Mikroskopisk mikrofon fanger lydpartikler
For at finde fononerne, de mindste lydpartikler, byggede forskerne en mikrofon, der både kan udsende og opfange vibrationer. Vibrationsenergien blev efterfølgende brugt til at tælle fononer.
Elektroner sendes i kredsløb
En styreenhed kaldet en transmon qubit sender elektroner ud i et kredsløb. Kredsløbet er lavet af superledende materiale for at undgå, at elektronerne forsvinder på vejen.
Fononer isoleres og fanges i resonator
Når elektronerne passerer en såkaldt resonator, laver den fononer, der fanges og vibrerer inde i resonatoren. Resonatoren er omkranset af et materiale kaldet fononisk krystal, der kan styre vibrationernes retning. Det skal sikre, at fononerne opfanges af den transmone qubit.
Mikroskopisk lyd produceres og måles
Fononernes vibrationer påvirker den elektriske ladning – energien – i den transmone qubit.
Antallet af fononer bestemmes
Ud fra energien i den transmone qubit kan forskerne nu aflæse, hvor mange fononer der er blevet skabt i resonatoren. Antallet kan aflæses på kurver, hvis udsving afslører fononernes energi.
Ingen fononer
Hvis der kun er én kurve er der ingen fononer.
Mange fononer
Men hvis der er flere kurver er der fononer tilstede – og de kan nu tælles.
Mikroskopisk tromme laver larm
Problemet, når man skal måle på fononer, er, at energierne er så små.
I en normal mikrofon skubber lydbølgerne til en membran, og membranen omdanner skubbet til en målbar elektrisk spænding.
Men fononer kan ikke måles på denne måde, for deres interaktion med membranen forstyrrer målingen og skjuler dermed fononens egen energi.
I stedet for at forsøge at måle de enkelte fononer har forskerne derfor fundet en måde at måle den totale vibrationsenergi i lydbølgerne på.
Hvis de kan beskrive den totale vibrationsenergi præcist nok, kan de samtidig finde antallet af fononer.
Den første udfordring er at skabe den mikroskopiske lyd, der skal måles på. Forskerne måtte udvikle et trommesæt så lille, at dets dele kun kan ses gennem et elektronmikroskop.
“Trommeslageren” i opstillingen er en såkaldt transmon qubit. En transmon qubit er en avanceret elektronisk del fra en kvantecomputer, hvis tilstand bestemmes af elektrisk ladning.
Qubitten sørger for at sende signaler videre til en trommestik.
Den udgøres af elektroner, der bevæger sig rundt i et elektrisk kredsløb. Når elektronerne passerer en såkaldt resonator, der svarer til trommeskindet, bliver der slået på “trommen”, hvilket udsender fononer.
Resonatoren opfører sig dog ikke som et almindeligt trommeskind. Den fastholder fononerne, så skindet bliver ved med at vibrere.
Denne vibration opfanger den transmone qubit. Og ved at måle på qubitten kan forskerne nu sige, præcis hvor mange fononer der er fanget i trommeskindet.
Fononer giver lyset baghjul
Et af de områder, hvor fononer kan komme til at spille en rolle, er i fremtidens supercomputere, der er baseret på kvantemekanik.
I dag regner computere på bits svarende til tallene 1 og 0. Men kvantecomputere er baseret på såkaldte qubit, der følger kvantemekanikkens love.
Qubit er ikke binære og kan derfor befinde sig i en masse tilstande mellem 1 og 0. Dette åbner op for nye måder at lave udregninger på.
For at lave en udregning på en kvantecomputer skal man først kode sine qubit til en bestemt tilstand.
På en almindelig computer svarer dette til at sætte sin bit til 1 eller 0, men da qubit er mere komplekse og kan indeholde meget mere information, er kodningen også besværligere.
Den nye viden om fononer kan måske bruges til at udvikle nye former for ultralydsbehandling.
I dag anvender man lyspartikler – de såkaldte fotoner – til at kode qubit, men fononer har flere fordele.
Eksempelvis er fononers bølgelængde kortere end fotoners – faktisk op til flere hundrede gange kortere end laserlys.
Det betyder, at man vil kunne rumme kodningen på meget mindre plads.
Potentialet er, at kvantecomputere, der i dag kan være ganske store, kan blive gjort betydelig mindre med fononernes hjælp.
Lægevidenskaben lytter med
Den nye måling af fononer skal ikke kun bruges i fremtidens kvantecomputere.
Forskere håber også, at forsøget med det lille trommesæt kan få betydning for fremtidens lægevidenskab.
Akkurat som man kan lave laserlys ved præcist at kontrollere fotoners bølgelængde, mener fysikerne, at man også kan konstruere laserlyd.
En kvadrillion fononer skal der til for at holde en elpære tændt i ét sekund.
Hidtil har konstruktionen af en sådan laser været hindret af, at det er ekstremt svært at udsende fononer med den samme energi, da forskellen i fononers energi er så lille.
Men teknikken bag kvantemikrofonen er et skridt i den rigtige retning.
Hvis forskerne lykkes med at bygge en fononlaser, vil den have fordele frem for traditionel laser af samme grund, som fononer har fordele i en kvantecomputer – lydens kortere bølgelængder.
I lægevidenskabens verden kan dette omsættes til mere præcise ultralydsmålinger og måske også på sigt til præcisionskirurgi.
Drømmen er, at fononerne eksempelvis vil kunne bruges til at fjerne kræft fra et svært tilgængeligt sted på kroppen.
Kort sagt: I fremtiden kan musik vise sig at have helbredende kræfter.