Uusi Bosen–Einsteinin kondensaatti luotu Aalto-yliopistossa

16.04.2018

Aalto-yliopiston tutkijat ovat luoneet ensimmäisen valosta ja metallin elektroneista muodostuvan Bosen–Einsteinin kondensaatin. Tulokset on julkaistu Nature Physics -lehdessä.

Säteilevän valon aallonpituus kasvaa, eli energia pienenee, kultananopartikkelihilassa edettäessä. Bosen–Einsteinin kondensaatti muodostuu, kun saavutetaan hilan energiaminimi. Kuva: Aalto-yliopisto/Tommi Hakala ja Antti Paraoanu.

Lähes sata vuotta sitten Albert Einstein ja Satyendra Nath Bose ennustivat, että kvanttimekaniikan lait voivat pakottaa ison määrän hiukkasia käyttäytymään kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen. Ilmiötä kutsutaan Bosen–Einsteinin kondensaatiksi. Ensimmäinen alkaliatomikaasusta koostuva kondensaatti pystyttiin toteuttamaan vasta vuonna 1995, ja saavutus palkittiin fysiikan Nobelilla vuonna 2001.

Bosen–Einsteinin kondensaatti on havaittu jo monissa eri tapauksissa, esimerkiksi atomeille ja valolle, mutta ilmiön rajoja ei vielä tunneta. Tutkijat yrittävät saada aikaan yhä pienempiä, nopeammin ja korkeammassa lämpötilassa muodostuvia kondensaatteja. Mitä helpommaksi kondensaattien luominen käy, sitä kiehtovammiksi niiden mahdolliset teknologiset sovellukset muuttuvat. Valonlähteistä voisi esimerkiksi tehdä äärimmäisen pieniä, mikä nopeuttaisi informaationkäsittelyä jopa satakertaisesti nykytasoon verrattuna.

Aalto-yliopiston tutkijoiden kokeessa kondensoituvat hiukkaset ovat yhdistelmiä valosta ja säännölliseksi hilaksi järjestetyissä kultananopartikkeleissa liikkuvista elektroneista. Useimmiten Bosen–Einsteinin kondensaatin syntyminen edellyttää lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilaa. Uuden kondensaatin hiukkaset ovat kuitenkin pääosin valoa, joten se voitiin luoda huoneenlämpötilassa.

”Kultananopartikkelihila on helppo tehdä nykyaikaisilla nanovalmistusmenetelmillä. Nanopartikkelien lähellä valo voidaan puristaa erittäin pieneen tilaan, jopa pienempään kuin valon aallonpituus tyhjiössä. Nämä ominaisuudet tekevät uudesta kondensaatistamme lupaavan sekä perustutkimuksen että sovellusten kannalta”, sanoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Suurin haaste kokeissa oli havaita uusi kondensaatti, sillä se syntyy äärimmäisen nopeasti.

”Teoreettiset laskelmamme antoivat olettaa kondensaatin syntyvän pikosekunneissa”, kertoo jatko-opiskelija Antti Moilanen. ”Miten voi todentaa ilmiön olemassaolon, jos se syntyy ja häviää sekunnin biljoonasosassa?”

BECpicture_700x400.jpg

Säteilevän valon aallonpituus kasvaa, eli energia pienenee, kultananopartikkelihilassa edettäessä. Bosen–Einsteinin kondensaatti muodostuu, kun saavutetaan hilan energiaminimi. Kuva: Aalto-yliopisto / Tommi Hakala ja Antti Paraoanu.

Matkan voi muuttaa ajaksi

Ratkaiseva idea oli sysätä kondensoituvat hiukkaset liikkeeseen nanopartikkelihilan toisesta päästä.

”Edetessään hiukkaset säteilevät valoa koko hilan pituudelta. Mittaamalla valoa voimme seurata, miten kondensaatio tapahtuu. Hiukkasten kulkema matka vastaa prosessiin kulunutta aikaa”, selittää tutkijatohtori Tommi Hakala.

Kondensaatin säteilemä valo muistuttaa laservaloa.

 ”Voimme muuttaa nanopartikkelien välistä etäisyyttä ja siten hallita sitä, syntyykö hiukkasista Bosen–Einsteinin kondensaatti vai tavallista laservaloa. Ne ovat samankaltaisia ilmiöitä, joiden erottaminen toisistaan on perustutkimuksessa tärkeää. Niillä on myös erilaiset sovellusalueet”, selittää professori Törmä.

Sekä Bosen–Einsteinin kondensaatti että laser tuottavat kirkkaan valonsäteen, mutta valon koherenssi on erilaista. Koherenssia voi siten säätää eri sovellusten tarpeisiin. Uusi kondensaatti pystyy tuottamaan erittäin lyhyitä valopulsseja, jotka voisivat esimerkiksi nopeuttaa informaationkäsittelyä ja kuvantamista. Akatemiaprofessori Törmä on jo saanut Euroopan tutkimusneuvoston Proof of Concept -rahoituksen kondensaatin sovellusten tutkimiseen.Tulokset on julkaistu Nature Physics -lehdessä.

Tutkimusartikkeli: T.K. Hakala, A.J. Moilanen, A.I. Väkeväinen, R. Guo, J.-P. Martikainen, K.S. Daskalakis, H.T. Rekola, A. Julku, P. Törmä. Bose-Einstein Condensation in a Plasmonic Lattice.

http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0109-9

Tutkijat käyttivät Aalto-yliopiston Micronovan puhdastilan nanovalmistus- ja elektronimikroskopialaitteita.

Lisätietoja:

Päivi Törmä, akatemiaprofessori, Aalto yliopisto
paivi.torma@aalto.fi
puh. 050 382 6770
Quantum Dynamics -tutkimusryhmä

Micronova: www.micronova.fi