Kvanteteknologi i måleteknikk hos Justervesenet

I en verden hvor vitenskap og teknologi utvikler seg i et stadig raskere tempo, er det lett å ta grunnleggende prinsipper for gitt. Kvanteteknologi, altså fundamentale teorier i fysikken som beskriver og studerer naturen i de minste skalaene, kan kanskje virke fjernt for de fleste. Men kvanteteknologien berører hverdagslivet vårt på utallige måter, som for eksempel hvordan elektronikken og skjermen til mobiltelefonen din fungerer.

Dette feltet og deres oppdagere har hatt en stor rolle i utviklingen av nøyaktig måleteknikk. På den internasjonale kvantedagen, den 14. april, er det passende å reflektere over hvordan kvanteteknologi kan knyttes til noen av måleenhetene i det internasjonale SI-systemet.

Elektrisk spenning, resistans og strøm: volt, ohm og ampere

I laboratoriene våre realiserer vi blant annet enheten for elektrisk motstand, ohm, ved hjelp av den kvantiserte Hall-effekten og enheten for elektrisk spenning, volt, ved hjelp av Josephson-effekten, som også er et makroskopisk kvantefenomen. Strømenheten for elektrisk strøm, ampere, realiseres ved hjelp av de to kvanteeffektene ovenfor og Ohms lov for elektrisitet (I = V/R). Enkeltelektron-transistorer er en av de mest lovende tilnærmingene til direkte realisering av enheten Ampere ved hjelp av det berømte kvantefenomenet tunneleffekt.

Disse effektene er forbundet med nobelpriser i fysikk på 70-, 80- og 90-tallet. Nobelprisen i fysikk i 1973 var en av de mest betydningsfulle prisene for kvanteteknologien og metrologimiljøet, da norske Ivar Giæver og japanske Leko Esaki fikk prisen for tunneleffekten i halvledere, som de delte med amerikanske Brian David Josephson for tunneleffekten i superledere.

Lysstyrke og lengde: candela og meter

Laseren er også et resultat av kvantefenomen. Lasere brukes for nøyaktige målinger innen radiometri (måling av elektromagnetisk strålingsenergi) og for måling av lengde hos Justervesenet.

Justervesenet utnytter fotoelektrisk effekt, noe Einstein fikk nobelpris for i 1921, i silisiumdetektorer til realisering av optisk effekt. Dette betyr at hvert “lyskvant” eller foton sparker opp et elektron, over et kvantisert båndgap, som kan måles i ytre kretser. Dette gjør at man kan måle antall fotoner absorbert av detektoren ved å telle antall elektroner ut av detektoren gjennom en strømmåling. Silisiumdetektoren er en halvleder og Bardeen, Brattain og Shockley ble tildelt Nobelprisen i fysikk for pionerarbeid på halvlederteknologi i 1956.

For at forholdet mellom antall fotoner inn og antall elektroner ut av detektoren er det samme må man ha detektorer med svært lave tap. Derfor arbeider vi i Justervesenet med å perfeksjonere fotodiodene og bestemme de små tapene med uavhengige metoder. Utviklingen har ført til at vi nå kan finne effekten til lyset på en enkel måte ved kun å måle strømmen fra detektoren.

Tid: sekund

Definisjonen av SI-enheten sekund er direkte knyttet til kvantemekanikk: Ett sekund er varigheten av 9 192 631 770 svingninger av strålingen (mikrobølgene), som tilsvarer hyperfinsplittingen, i grunntilstanden til cesium (Cs)-133. De mest nøyaktige atomklokkene er Cs-klokker som måler denne frekvensen med svært lav usikkerhet, 2 x 10^-16 eller 1 sekund feil i løpet av 150 000 000 år. Det er mest vanlig å bruke atomklokker basert på energinivåer i hydrogen, rubidium eller cesium.

Slike atomklokker er moderne teknologi bygget på utvikling av kvanteteknologi fra 1920-tallet og framover. En rekke grunnleggende oppdagelser som brukes i atomklokker er blitt anerkjent med Nobel-priser: Otto Stern fikk nobelprisen i 1943 for arbeid blant annet utført med Walther Gerlach i Tyskland på 1930-tallet[1]. Stern-Gerlach-magneter brukes som et magnetisk filter for kvantetilstander i Cs og H-klokker. Nobelprisen i fysikk i 1964 gikk til Nikolaj Basov og Aleksandr Prokhorov for forskning på energitilstander i hydrogen som ledet til utvikling av hydrogen-masere (maser=microwave amplification by stimulated emission radiation) som klokker til praktisk bruk. Cesium-klokkene ved Justervesenet utnytter seg av teknikker videreutviklet av Otto Sterns elev Isador Isaac Rabi (nobelprisen 1944) og Norman Ramsey (nobelprisen 1989).

Neste generasjon atomklokker utnytter seg av egenskaper til laserlys (Charles Townes, nobelprisen 1964) til å kjøle ned og fange atomer (Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji og Bill Phillips, nobelprisen 1997) og til å måle veldig presist kvantiserte energinivåer i atomer. Utvikling av såkalte optiske frekvenskammer (John Hall og Theodor Hänsch, nobelprisen 2005) gjør det mulig å telle svingninger i laserlys og dermed bruke optiske frekvenser som utgangspunkt for klokker og en ny definisjon av sekundet.

Atomklokker er verdens mest nøyaktige klokker. Det at vi i Justervesenet har fire av dem gjør at vi kan bidra med presis norsk tid, være med på samarbeidet om en felles verdens tid, og stadig utvikle kunnskap om posisjon- og navigasjon- og tidstjenester fra satellitter.

Spor av tidligere oppdagelser

Mange av primærnormalene og instrumentene Justervesenet har på labene utnytter kvanteteknologiske prinsipper som bygger på resultater fra Nobelprisvinnere i fysikk. I flere fagområder brukes også prinsippene aktivt, som i realisering av noen grunnenheter, men det er kanskje vanskelig å forstå deres relevans i hverdagen. Likevel er kvanteteknologi knyttet til mye av det vi bruker daglig fordi det har formet utviklingen – så uten kvanteteknologi hadde man ikke kunnet lese denne teksten her digitalt.

[1] https://pubs.aip.org/physicstoday/article/56/12/53/632269/Stern-and-Gerlach-How-a-Bad-Cigar-Helped-Reorient