Hver gang du hører en lyd, er det vibrasjoner i luften. Hvis du for eksempel setter på musikk på stereoanlegget, setter høyttaleren i gang vibrasjoner i luften.
Vibrasjonene forplanter seg som lydbølger og treffer til slutt trommehinnen som musikk. Når du skrur ned volumet, blir vibrasjonene svakere, helt til volumet blir så lavt at du ikke lenger kan høre musikken.
Men de enkelte lydpartiklene som utgjør vibrasjonene, finnes fortsatt. Disse partiklene kalles fononer.
Alt det vi normalt kjenner som lyder, uansett om det er høy musikk eller en knappenål som treffer gulvet, produserer så mange fononer at det er umulig å telle dem.
Energien fra én fonon er så lav at det ville kreve omkring en kvadrillion fononer å holde en lyspære tent i ett sekund – noe som svarer til omkring en million ganger antallet sandkorn på hele jordkloden.
Med så mange fononer i selv veldig svake lyder er det vanskelig å forestille seg at enkelte fononer kan isoleres. Men det har forskere fra Stanford University klart.
Normalt er atomene i et materiale arrangert i et gitter, men vibrasjoner fra lydbølger får atomene til å bevege på seg.
Lydens minste bestanddel får klanger til å sprake
Lyd beveger seg som vibrasjonsenergi, i bølger gjennom atomene i et materiale. Atomene er normalt ordnet i et gitter, men bølgene forstyrrer gitterstrukturen, slik at atomene nå begynner å vibrere sammen med bølgen.
Selve vibrasjonsenergien kommer i små pakker som kalles fononer – den minste bestanddelen av lyd. De lydene du hører i hverdagen, utgjøres av mange flere fononer enn man kan telle.
Normalt brukes fononer derfor bare til å beskrive vibrasjonsenergier som er så små at de er umulige å høre for det menneskelige øret.
Men hvis man kunne høre de lave vibrasjonene, ville man ikke oppleve en sammenhengende lyd.
Fononene kommer bare én av gangen, og det er ikke mulig å generere halve eller kvarte fononer. Resultatet ville derfor være en sprakende snarere enn en jevn lyd.
Forskerne har utviklet en mikrofon som kan måle enkelte fononer og dermed fange opp de aller laveste lydene.
Gjennombruddet kan blant annet brukes til å sende informasjon mellom superdatamaskiner raskere enn i dag. Nå er teknologien basert på fotoner – de partiklene som utgjør lysbølger.
Gode vibrasjoner avslører fononer
Allerede i 1907 forholdt Albert Einstein seg til vibrasjoner, da han skulle beskrive hvordan faste stoffer oppfører seg.
Vibrasjonene ble imidlertid ikke forbundet med lyd før i 1932, da den sovjetiske fysikeren Igor Tamm oppdaget at lyd består av vibrasjoner. Samtidig innførte fysikeren ordet fonon.
Fordi de er så små, kan ikke fononer måles direkte, men til gjengjeld adlyder de kvantemekanikkens prinsipper: Energien i vibrasjonene er begrenset til bestemte tilstander som kalles kvantetilstander.
Den kunnskapen har forskerne brukt til å skape en kvantemikrofon som kan fange opp fononer.
Kvantetilstander fungerer som trappetrinn. Når du står på en trapp, kan du stå på ett bestemt trinn, men du kan ikke stå mellom to trinn.
På samme måte bruker fysikere fononene til å telle trinn. I kvantemekanikken kalles disse trinnene for Fock-tilstander.
En vibrasjon kan være i en 1-fonon-tilstand, 2-fonon-tilstand og så videre, men den kan ikke befinne seg mellom to tilstander.
Fock-tilstandens energi kan måles, og siden den kan bli oversatt rett til antallet fononer, kan man finne det presise antallet fononer hvis bare man kjenner energien.
Mikroskopisk mikrofon fanger lydpartikler
For å finne fononene, de minste lydpartiklene, bygget forskerne en mikrofon som både kan sende ut og fange opp vibrasjoner. Vibrasjonsenergien ble senere brukt til å telle fononer.
Elektroner sendes i bane
En styreenhet som kalles en transmon qubit sender elektroner ut i et kretsløp. Kretsløpet er laget av superledende materiale for å unngå at elektronene forsvinner på veien.
Fononer isoleres og fanges i resonator
Når elektronene passerer en såkalt resonator, genererer den fononer som fanges og vibrerer. Resonatoren er omkranset av et materiale som kalles fononisk krystall, som kan styre retningen på vibrasjonene. Det skal sikre at fononene fanges opp av den transmone qubiten.
Mikroskopisk lyd lages og måles
Fononenes vibrasjoner påvirker den elektriske ladningen – energien – i den transmone qubiten.
Antallet fononer bestemmes
Ut fra energien i den transmone qubiten kan forskerne nå lese av hvor mange fononer det har blitt skapt i resonatoren. Antallet kan leses av på kurver der svingningene avslører fononenes energi.
Ingen fononer
Hvis det bare er én kurve, er det ingen fononer.
Mange fononer
Men hvis det er flere kurver, er det fononer til stede – og de kan nå telles.
Mikroskopisk tromme lager bråk
Problemet, når man skal måle fononer, er at energimengdene er så små. I en normal mikrofon skyver lydbølgene til en membran, og membranen gjør om bevegelsen til en målbar elektrisk spenning.
Men fononer kan ikke måles denne måten, for interaksjonen med membranen forstyrrer målingen og skjuler dermed fononets egen energi.
I stedet for å forsøke å måle de enkelte fononene har forskerne derfor funnet en måte å måle den totale vibrasjonsenergien i lydbølgene. Hvis de kan beskrive den totale vibrasjonsenergien presist nok, kan de samtidig finne antallet fononer.
Den første utfordringen er å skape den mikroskopiske lyden som skal måles. Forskerne måtte utvikle et trommesett som var så lite at det bare er synlig i et elektronmikroskop.
«Trommeslageren» i oppstillingen er en såkalt transmon qubit. En transmon qubit er en avansert elektronisk del fra en kvantedatamaskin, der tilstanden bestemmes av elektrisk ladning.
Qubiten sørger for å sende signaler videre til en trommestikke. Den utgjøres av elektroner som beveger seg rundt i et elektrisk kretsløp.
Når elektronene passerer en såkalt resonator, som svarer til trommeskinnet, blir det slått på «trommen», noe som sender ut fononer.
Resonatoren oppfører seg imidlertid ikke som et vanlig trommeskinn. Den holder på fononene, slik at skinnet fortsetter å vibrere.
Denne vibrasjonen fanger den transmone qubiten opp. Og ved å måle qubiten kan forskerne nå si nøyaktig hvor mange fononer det er fanget i trommeskinnet.
Suser forbi lyset
Et av de områdene der fononer kan komme til å spille en rolle, er i framtidens superdatamaskiner som er basert på kvantemekanikk.
I dag er datamaskiner basert på bits, som kan være enten 1 og 0. Men kvantedatamaskiner er basert på såkalte qubits, som følger kvantemekanikkens lover.
Qubits er ikke binære og kan derfor befinne seg i en masse tilstander mellom 1 og 0. Dette åpner opp for nye måter å gjennomføre utregninger på.
For å gjennomføre en utregning på en kvantedatamaskin må man først kode en serie qubits til en bestemt tilstand.
På en vanlig datamaskin svarer dette til å sette bits til 1 eller 0, men siden qubits er mer komplekse og kan inneholde mye mer informasjon, er kodingen også vanskeligere.
Den nye kunnskapen om fononer kan kanskje brukes til å utvikle nye former for ultralydbehandling.
I dag bruker man lyspartikler – de såkalte fotonene – til å kode qubits, men fononer har flere fordeler. For eksempel er bølgelengden din fononer kortere enn bølgelengden til fotoner i laserlys – faktisk opp til flere hundre ganger kortere.
Det innebærer at man vil kunne romme kodingen på mye mindre plass. Det åpner for at kvantedatamaskiner, som i dag kan være ganske store, kan bli betydelig mindre.
Legevitenskapen lytter også
Den nye målingen av fononer skal ikke bare brukes i framtidens kvantedatamaskiner. Forskere håper også at forsøket med det lille trommesettet kan få betydning for framtidens legevitenskap.
Akkurat som man kan skape laserlys ved å kontrollere fotoners bølgelengde, mener fysikerne at man også kan konstruere laserlyder.
En kvadrillion fononer skal det til for å holde en lyspære skrudd på i ett sekund.
Hittil har det ikke vært mulig å få til dette, fordi forskjellen i energi mellom fononer er så liten. Men teknologien som ligger bak kvantemikrofonen, er et langt skritt i riktig retning.
Hvis forskerne klarer å bygge en fononlaser, vil den ha en rekke fordeler sammenlignet tradisjonell laser av samme grunn som fononer har fordeler i en kvantedatamaskin – lyden har en mye kortere bølgelengde.
I medisinens verden kan dette omsettes til mer presise ultralydmålinger og kanskje også på sikt til presisjonskirurgi.
Drømmen er at fononene for eksempel vil kunne brukes til å fjerne kreft fra et vanskelig tilgjengelig sted på kroppen. Kort sagt: I framtiden kan musikk vise seg å ha helbredende krefter.