Varje gång du hör ett ljud är det vibrationer i luften. Om du till exempel spelar musik på din stereo sätter högtalaren igång vibrationer i luften.
Dessa vibrationer fortplantas som ljudvågor och träffar till sist din trumhinna som musik. När du sänker volymen blir vibrationerna svagare tills ljudstyrkan blir så låg att du inte längre kan höra musiken.
Enskilda ljudpartiklar, så kallade fononer som utgör vibrationerna, är dock fortfarande aktiva. Allt vi normalt kallar för ljud, även en knappnål som faller i golvet, producerar så många fononer att de är omöjliga att räkna.
Energin från en fonon är så låg att det skulle krävas runt en kvadriljon fononer att hålla en lampa tänd i en sekund – motsvarande cirka en miljon gånger så många sandkorn som finns på hela jorden.
Med så många fononer i även mycket svaga ljud är det svårt att föreställa sig att det går att isolera enskilda fononer. Det har nu forskare på Stanford University, USA, lyckats med.
Normalt är atomerna i ett material arrangerade i ett gitter, men vibrationer från ljudvågor får atomerna att svänga och flytta sig.
Ljudets minsta beståndsdel förvandlar ljud till knaster
När ljud rör sig sker det som vibrationsenergi som kan röra sig i vågor genom atomerna i ett material.
Atomerna är vanligtvis ordnade i ett gitter, men vågen stör gitterstrukturen så att atomerna nu börjar vibrera tillsammans med vågen.
Vibrationsenergin kommer i små paket som kallas fononer – ljudets minsta beståndsdel.
De ljud som du hör i vardagen utgörs av många fler fononer än vad som går att räkna.
Normalt används fononer därför bara för att beskriva vibrationsenergier som är så små att de är omöjliga för människan att höra.
Om man trots det skulle kunna höra de små vibrationerna så skulle man ändå inte uppleva ett kontinuerligt ljud.
Fononerna kommer bara en i taget och det går inte att lägga till halva eller fjärdedels fononer. Resultatet blir därför ett knastrande snarare än ett jämnt ljud.
Forskarna har utvecklat en mikrofon som kan mäta enskilda fononer och därmed uppfatta mycket låga ljud.
Genombrottet kan bland annat användas för att skicka information mellan superdatorer snabbare än med dagens teknik som baseras på fotoner – de partiklar som utgör ljusvågor.
Bra vibrationer avslöjar fononer
Redan 1907 använde sig Albert Einstein av vibrationer när han skulle beskriva hur fasta material fungerar.
Vibrationer förknippades dock inte med ljud förrän 1932 då den sovjetiske fysikern Igor Tamm upptäckte att ljud bestod av vibrationer. Samtidigt införde fysikern ordet fonon.
Eftersom fononer är så små kan de inte mätas direkt, men i gengäld lyder de under kvantmekanikens principer: Energin i vibrationerna är begränsad till vissa tillstånd – så kallade kvanttillstånd.
Den kunskapen har forskarna nu använt sig av för att utveckla en kvantmikrofon som kan uppfatta fononer. Kvanttillstånd fungerar som trappsteg.
När du står på en trappa kan du stå på ett visst steg, men du kan inte stå mellan två steg. På samma sätt använder fysiker fononerna för att räkna steg.
Inom kvantmekaniken kallas dessa steg för Fock-tillstånd. En vibration kan vara i ett 1-fonon-tillstånd, 2-fonon-tillstånd och så vidare, men inte befinna sig mellan två tillstånd.
Fock-tillståndens energi kan mätas och eftersom den kan översättas direkt till antalet fononer kan man ta reda på det exakta antalet fononer.
Mikroskopisk mikrofon fångar ljudpartiklar
För att hitta fononerna, de minsta ljudpartiklarna, byggde forskarna en mikrofon som både kan avge och uppfatta vibrationer. Fononerna räknades sedan med hjälp av vibrationsenergin.
Elektroner skickas ut i omloppsbana
En styrenhet som kallas transmon kvantbit skickar ut elektroner i en omloppsbana. Kretsen är tillverkat i ett superledande material så att elektronerna inte försvinner på vägen.
Fononer isoleras och fångas i en resonator
När elektronerna passerar en så kallad resonator tillverkar den fononer som sedan fångas och vibrerar inne i resonatorn. Resonatorn omges av så kallad fononisk kristall som kan styra vibrationernas riktning. Det ska säkerställa att fononerna fångas av den transmona kvantbiten.
Mikroskopiskt ljud produceras och mäts
Fononernas vibrationer påverkar den elektriska laddningen – energin – i den transmona kvantbiten.
Antalet fononer bestäms
Utifrån energin i den transmona kvantbiten kan forskarna nu avläsa hur många fononer som har skapats i resonatorn. Antalet kan avläsas med kurvor vars höjd avslöjar fononernas energi.
Inga fononer
Om det det bara är en kurva, finns det inga fononer.
Många fononer
Men om det finns flera kurvor finns det också fononer – och nu kan de räknas.
Mikroskopisk trumma för oväsen
Problemet när man ska mäta fononer är att energin är så låg. I en normal mikrofon trycker ljudvågorna på ett membran som i sin tur omvandlar trycket till en mätbar elektrisk spänning.
Fononer kan dock inte mätas så här eftersom deras interaktion med membranet stör mätningen och döljer fononens egen energi.
I stället för att försöka mäta enskilda fononer har forskarna därför hittat ett sätt att mäta ljudvågornas totala vibrationsenergi.
Om de kan beskriva den totala vibrationsenergin tillräckligt exakt kan de samtidigt hitta antalet fononer.
Den första utmaningen är att skapa det mikroskopiska ljud som ska mätas. Forskarna fick utveckla ett trumset så litet att dess delar bara kan ses genom ett elektronmikroskop.
”Trumslagaren” är en så kallad transmon kvantbit: En avancerad elektronisk komponent från en kvantdator, vars tillstånd bestäms av elektrisk laddning.
Kvantbiten skickar signaler vidare till en trumpinne. Den utgörs av elektroner som rör sig i en elektrisk omloppsbana.
När elektronerna passerar en så kallad resonator, vilket motsvarar trumskinnet, ”slår trumslagaren till”, vilket avger fononer.
Resonatorn uppför sig dock inte som ett vanligt trumskinn. Den håller kvar fononerna så att skinnet fortsätter att vibrera. Denna vibration fångas upp av den transmona kvantbiten.
Genom att mäta på kvantbiten kan forskarna därmed säga exakt hur många fononer som fångats i trumskinnet.
Fononer utklassar ljuset
Ett av de områden där fononer kan komma att spela en roll är i framtidens superdatorer, som baseras på kvantmekanik. I dag räknar datorer med bitar motsvarande siffrorna 1 och 0.
Kvantdatorer är dock baserade på så kallade kvantbitar som följer kvantmekanikens lagar. Kvantbitar är inte binära och kan därför ha många olika tillstånd mellan 1 och 0.
Detta ger möjlighet till nya sätt att göra beräkningar. Om man vill köra en beräkning i en kvantdator måste kvantbitarna först kodas till ett bestämt tillstånd.
På en vanlig dator motsvarar detta att sätta biten till 1 eller 0, men eftersom kvantbitar är mer komplexa och kan innehålla mycket mer information är kodningen också besvärligare.
Den nya kunskapen om fononer kan kanske användas för att utveckla nya former av ultraljudsbehandlingar.
I dag använder man ljuspartiklar – så kallade fotoner – för att koda kvantbitar, men fononer har flera fördelar gentemot fotoner.
Exempelvis har fononer kortare våglängd än fotoner – upp till flera hundra gånger kortare än laserljus. Det betyder att kodningen kan ta mycket mindre plats.
Detta innebär att kvantdatorer, som i dag kan vara ganska stora, kan göras betydligt mindre med fononernas hjälp.
Läkarvetenskapen vässar öronen
Den nya mätningen av fononer ska inte bara användas i framtidens kvantdatorer. Forskarna hoppas också att experimentet med det lilla trumsetet kan få betydelse för framtidens läkarvetenskap.
Precis som man kan göra laserljus med exakt kontroll över fotoners våglängd menar fysikerna att man också kan konstruera laserljud.
En kvadriljon fononer krävs för att hålla en enda glödlampa tänd i en sekund.
Hittills har konstruktionen av en sådan laser hindrats av det faktum att det är extremt svårt att avge fononer med samma energi eftersom det är så liten skillnad mellan fononers energi.
Tekniken bakom kvantmikrofonen är ett steg i rätt riktning. Om forskarna lyckas bygga en fononlaser kommer den att ha fördelar gentemot en traditionell laser av samma anledning som fononer har fördelar i en kvantdator – ljudets kortare våglängd.
Detta kan användas inom läkarvetenskapen för mer exakta ultraljudsmätningar och kanske även på sikt för precisionskirurgi.
Dröm-visionen är att fononerna exempelvis ska kunna användas för att operera bort cancer på mycket svårtillgängliga platser i kroppen.
Kort sagt: I framtiden kan musik visa sig ha läkande krafter.