Kvantefluider
Kjente eksempler på
koherent oppførsel finner vi i superfluider
og
superledere.
I systemer med slik oppførsel er bevegelsen til den enkelte
partikkel (atom eller elektron) bundet opp av deres innbyrdes faserelasjoner.
Partiklenes individuelle egenskaper blir på en måte absorbert
i den kollektive bevegelse. Vi sier at de danner et (Bose-)kondensat.
Det finnes forskjelige slags Bose-kondensater, for ladete og uladete partikler.
En kvalitativ (og til dels kvantitativ) forståelse av oppførselen
til slike systemer finner en ved å studere ikke-lineære ligninger
som beskriver den midlere oppførsel til partiklene (Ginzburg-Lanadu-teori).
Slike Bose-kondensater kan sees på som spesielle typer kvante-væskereller
kvante-fluider.
Dette er partikkelsystemer med væskelignende egenskaper, men hvor
væske-oppførselen ved lave temperaturer på mange måter
er annerledes (og enklere) enn det man forventer av en klassisk væske.
Kvanteoptikk
Kvanteoptikken
beskriver koherente tilstander hvor fotoner og atomer vekselvirker. Et
kjent eksempel på dette er lyset i en laser.
Manipulering med slike koherente tilstander gir opphav til en rekke nye
og uventede fenomener. Det er blant annet mulig å påvirke lyshastigheten
inne i et atomært medium slik at lys som passerer gjennom mediet
stopper opp og informasjonen om lysets tilstand lagres i atomene. I neste
omgang kan mediet igjen påvirkes slik at lyset slipper ut igjen.
Det er også (i prinsippet) mulig å fange laserlys i en gass
mellom to reflektorer slik at fotonene oppfører seg som en kvantevæske,
en fotonfluid,
inne i gassen.
Lavdimensjonale
systemer
Kvante-effekter
i lavdimensjonale systemer har fanget mye interesse i senere år.
Det har lenge vært kjent at i en (hypotetisk) to-dimensjonal eller
én-dimensjonal verden ville det kunne forekomme andre typer kvantefenomener
enn i en tre-dimensjonal verden. Mye av interessen skyldes at man i dag
faktisk kan produsere slike lavdimensjonale systemer. Denne reduksjonen
i dimensjon er i seg selv en kvanteeffekt. Hvis partikler fanges i et tilstrekkelig
tynt sjikt ved lav temperatur vil all bevegelse i retningen som står
normalt på sjiktet kunne elimineres fordi det vil kreves et visst
minimum av energi for å kunne aktivisere denne bevegelsen. Det er
på en slik måte mulig å skape en to-dimensjonal elektrongass
(eller væske), ved at elektronene fanges i et tynt sjikt mellom to
halvledere. Hvis et sterkt magnetfelt settes på vil elektronene oppføre
seg som en spesiell type kvante-væske med mange interessante egenskaper.
Dette gir opphav til den mye studerte kvante-Hall
effekten. Det finnes flere andre lavdimensjonale
fenomener som kan studeres i laboratoriet.
Høytemperatur
supraledning regnes som en to-dimensjonal
effekt, i det bevegelsen til elektronene i det alt vesentlige foregår
i spesielle krystallplan. Også én-dimensjonale systemer kan
man lage. De såkalte karbon-nanotuber
er
eksempler på én-dimensjonale systemer. I lange smale sylindre
bygget opp av karbon-atomer kan elektronene bevege seg bare i én
retning. Slike karbon-sylindrene oppfører seg som elektriske ledere,
med med svært spesielle egenskaper. Et felles trekk med disse lavdimensjonale
systemene er en annerledes og enklere oppførsel enn tredimensjonale
systemer. Men mye mangler forsatt i den teoretiske forståelse av
fenomenene.
Kvanteinformasjon
Et
annet interessant forskningsområde gjelder den såkalte kvanteinformasjonsteori
og
spørsmålet om man kan konstruere en kvantedatamaskin
med egenskaper forskjellig fra dagens datamaskiner. Det ligger en (ny)
forståelse bak dette om at all informasjonsinnsamling, kommunikasjon
og informasjonsbehandling i bunn og grunn er basert på anvendelse
av fysiske prosesser. Det er den klassiske fysikk som ligger bak den etablerte
informasjons- og kommunikasjonsteori (selv om den vanligvis presenteres
som en matematisk disiplin) mens de muligheter som kvantefysikken åpner
hittil i liten grad har vært utforsket. Det er mulighetene
for kvantemekanisk koherens som skaper nye muligheter og som man nå
søker å utnytte. Men utfordringene er store, både eksperimentelt
og teoretisk. I sammensatte kvantesystemer er det svært vanskelig
å unngå at dekoherens ødelegger
de muligheter som man søker å utnytte.
Når det gjelder andre deler av virksomheten er den mer i sin begynnelse, med økt oppmerksomhet om problemer knyttet til kvante-optikk og kvante-informasjon. Endel av denne virksomheten foregår sammen med ansatte i andre grupper ved instituttet. Vi vil spesielt peke på prosjektet Quantum computing som det er søkt om støtte til fra NFR. En seminarserie med dette som tema har vært holdt ved instituttet. Vi er også interessert i å komme i gang med teoretiske/numeriske studier av fysiske prosesser som forventes å danne basis for fremtidige kvantedatamaskiner. Det vil her dreie seg om problemer i grenseflata mellom kvanteoptikk (lasere) og frie ultrakalde atomer. Som eksempler kan nevnes atomære ioner i elektromagnetiske feller og sammenfiltrede ("entangled") atomer i såkalte optiske krystaller. I denne aktiviteten kan det også være aktuelt å trekke inn studier av Bose-Einstein kondensater for tynne atomære gasser.
I tillegg
til de ansatte er det flere studenter som arbeider med oppgaver innen dette
forskningsfeltet.