Tre nanoglaskulor klibbar fast vid varandra. De bildar ett tornliknande kluster, ungefär som när man staplar tre glasskulor på varandra – fast mycket mindre. Nanoklusterets diameter är tio gånger mindre än ett människohår.
Med hjälp av en optisk anordning och laserstrålar har forskare vid ETH Zürich lyckats hålla sådana objekt nästan helt stilla i levitation. Detta är betydelsefullt för den framtida utvecklingen av kvantsensorer, som tillsammans med kvantdatorer utgör de mest lovande tillämpningarna av kvantforskningen.
Teamets arbete presenteras i Nature Physics.
Som en del av sitt levitationsexperiment lyckades forskarna, under ledning av adjungerad professor i fotonik Martin Frimmer, eliminera den gravitationskraft som verkade på glaskulorna. Det långsträckta nanoobjektet darrade dock fortfarande, på samma sätt som nålen på en kompass rör sig när den stabiliserar sig. I fallet med nanoklustret var darrningen mycket snabb men svag: objektet gjorde cirka en miljon avvikelser per sekund, var och en på bara några tusendels grader. Denna små rotationella svängning är en grundläggande kvantrörelse som alla objekt uppvisar och som fysiker kallar nollpunktsfluktuation.
”Enligt kvantmekanikens principer kan inget objekt någonsin vara helt stilla”, förklarar Lorenzo Dania, postdoktor i Frimmers grupp och försteförfattare till studien. ”Ju större ett objekt är, desto mindre är dessa nollpunktsfluktuationer och desto svårare är det att observera dem.”
Flera rekord
Hittills har ingen lyckats upptäcka dessa små rörelser hos ett objekt av denna storlek så exakt som ETH-forskarna nu har gjort. De lyckades med detta eftersom de i stort sett kunde eliminera alla rörelser som härrör från klassisk fysik och som försvårar observationen av kvantrörelser. ETH-forskarna tillskriver 92 % av klustrets rörelser i sitt experiment till kvantfysik och 8 % till klassisk fysik. De talar därför om en hög grad av kvantrenhet.
”Innan vi började trodde vi inte att vi skulle uppnå en så hög grad av kvantrenhet”, förklarar Dania.
Och det är inte allt: forskarna uppnådde allt detta vid rumstemperatur. Kvantforskare måste vanligtvis kyla ner sina objekt till en temperatur nära absolut noll (-273 grader Celsius) med hjälp av specialutrustning. Det behövdes inte i detta fall.
Frimmer drar en analogi: ”Det är som om vi har byggt ett nytt fordon som transporterar mer last än traditionella lastbilar och samtidigt förbrukar mindre bränsle.”
Pytteliten och enorm på samma gång
Medan många forskare undersöker kvanteffekter i enskilda eller små grupper av atomer, tillhör Frimmer och hans grupp dem som arbetar med relativt stora objekt. Deras nanosfärkluster må vara pyttelitet i vardagliga termer, men det består av flera hundra miljoner atomer, vilket gör det enormt ur en kvantfysikers perspektiv. Intresset för objekt av denna storlek drivs delvis av förhoppningar om framtida tillämpningar inom kvanttekniken. Sådana tillämpningar kräver att större system styrs med hjälp av kvantmekanikens principer.
Forskarna kunde levitera sina nanopartiklar med hjälp av en så kallad optisk pincett. I denna process placeras partikeln i ett vakuum i en transparent behållare. En lins används för att fokusera polariserat laserljus på en punkt inuti behållaren. Vid denna fokuspunkt anpassar sig partikeln efter det polariserade laserljusets elektriska fält och förblir därmed stabil.
”En perfekt start”
”Det vi har uppnått är en perfekt start för vidare forskning som en dag kan leda till tillämpningar”, säger Frimmer.
För sådana tillämpningar behöver man först ett system med hög kvantrenhet där all extern störning kan undertryckas och rörelser kontrolleras på önskat sätt, säger han och tillägger att detta nu har uppnåtts. Det skulle då vara möjligt att detektera kvantmekaniska effekter, mäta dessa och använda systemet för kvanttekniska tillämpningar.
Möjliga tillämpningar inkluderar grundforskning inom fysik för att utforma experiment för att undersöka sambandet mellan gravitation och kvantmekanik. Det är också tänkbart att utveckla sensorer för att mäta små krafter, såsom gasmolekyler eller till och med elementarpartiklar som påverkar sensorn. Detta skulle vara användbart i sökandet efter mörk materia.
”Vi har nu ett system som är relativt enkelt, kostnadseffektivt och väl lämpat för detta ändamål”, säger Frimmer.
Tillämpningar inom navigering och medicin
I en avlägsen framtid skulle kvantsensorer också kunna användas inom medicinsk bildteknik. Man hoppas att de ska kunna detektera svaga signaler i miljöer där mätinstrument annars huvudsakligen registrerar bakgrundsbrus. En annan potentiell tillämpning skulle kunna vara rörelsesensorer som underlättar fordonsnavigering även när det inte finns någon kontakt med en GPS-satellit.
För de flesta av dessa tillämpningar skulle kvantsystemet behöva miniatyriseras. Enligt ETH-forskarna är detta i princip möjligt. De har i alla fall hittat ett sätt att uppnå det önskade kontrollerbara kvanttillståndet utan tidskrävande, kostsam och energikrävande kylning.
Mer information: High-purity quantum optomechanics at room temperature, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02976-9