Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Antti Moilanen

Plasmoniikka on tieteenala, jossa tutkitaan valon vuorovaikutusta metallisten nanokokoisten rakenteiden kanssa. Metallisissa nanorakenteissa valo voi kytkeytyä metallin elektroneihin, jolloin valo saadaan tiivistettyä aallonpituutta pienempään tilaan. Tämä mahdollistaa erilaisten kvantti-ilmiöiden havaitsemisen huoneenlämpötilassa, joista eräs esimerkki on tässä väitöstyössä havaittu ensimmäinen valosta ja elektroneista koostuva Bosen-Einsteinin kondensaatti.

Tämän väitöskirjan tutkimus kohdistuu kultaisista nanohiukkasista koostuviin säännöllisiin hilarakenteisiin, jotka on päällystetty väriainemolekyyleillä. Kun molekyylien tiheyttä kasvatetaan riittävän suureksi, hilaresonanssit voivat kytkeytyä vahvasti molekyylien kanssa, jolloin ne muodostavat uudentyyppisiä kvasihiukkasia, joilla on sekä valon että aineen ominaisuuksia. Vahva kytkentä valon ja aineen välillä muuttaa molempien kvanttimekaanisia tiloja ja voi sitä kautta esimerkiksi muokata ja kiihdyttää kemiallisia reaktioita.

Molekyylejä viritetään optisesti ulkoisen laserin avulla. Tämän seurauksena molekyylit lähettävät valoa hilarakenteeseen, mikä puolestaan saa hilan optiset resonanssit virittymään. Riittävän voimakkaalla virittämisellä näytteet saadaan tuottamaan laservaloa. Toinen tapa tuottaa koherenttia valoa on Bosen-Einsteinin kondensaatio. Bosen-Einsteinin kondensaatti on makroskooppinen kvanttitila, jossa suuri joukko hiukkasia käyttäytyy kuin yksi iso hiukkanen. Valoon perustuva Bosen-Einsteinin kondensaatti tuottaa laserin tapaan koherenttia valoa, jonka ominaisuudet kuitenkin poikkeavat tavanomaisesta laservalosta.

Tässä väitöskirjassa esitellään ensimmäinen Bosen-Einsteinin kondensaatti plasmonisessa systeemissä ja tutkitaan kondensaatin ominaisuuksia sekä heikon että vahvan kytkennän alueella. Työssä tutkittu kondensaatti, joka on läpimitaltaan puoli millimetriä, on tiettävästi suurin valoon perustuva kondensaatti tähän mennessä. Väitöskirjassa esitellään myös uusi teoreettinen malli vahvasti kytkeytyneiden orgaanisten systeemeiden mallintamiseen.

Näytteiden toiminta huoneenlämpötilassa, kestävyys ja kirkkaus tarjoavat lupaavan alustan kvanttidynamiikan tutkimukselle epätasapainossa olevissa systeemeissä. Kondensaation tuottamaa koherenttia valoa voidaan mahdollisesti hyödyntää anturiteknologian, optisen tiedonkäsittelyn ja kvantti-informaatioteknologian aloilla.

Vastaväittäjä on professori Martin Weitz, University of Bonn, Saksa

Kustos on professori Päivi Törmä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Tohtorikoulutettavan yhteystiedot: [email protected], +358503378457

Väitöstilaisuus järjestetään etäyhteydellä Zoomissa sekä kampuksella. Linkki tilaisuuteen

Zoom pikaopas

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston julkaisuarkiston verkkoriiputussivulla.

Elektroninen väitöskirja