Väitös teknillisen fysiikan alalta, FM Juuso Manninen

Väitöskirjan nimi on Interference, noise, and correlation phenomena in quantum devices

Kvantti-optomekaniikka on fysiikan ala, joka keskittyy valon ja mekaanisesti värähtelevien kappaleiden välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Valon aiheuttama säteilypaine on erittäin heikko ilmiö eikä se siksi ole tuttu arkielämästä. Esimerkiksi taskulampun sytyttämisestä aiheutuvaa rekyyliä ei voi omin silmin havaita. Tutkimuskäytössä tätä ilmiötä voidaan kuitenkin hyödyntää esimerkiksi erittäin tarkoissa etäisyyden mittauksissa, kuten tehtiin esimerkiksi LIGO:n kuuluisissa gravitaatioaaltoja havaitsevissa tutkimuksissa vuonna 2016.

Säteilypaineilmiön heikkoudesta johtuen, on tärkeää ymmärtää ympäristön aiheuttamien häiriöiden vaikutus todellisissa mittauksissa ja mahdollisissa tulevaisuuden käytännön sovelluksissa. Väitöstutkimuksessa selvitettiin teoreettisesti useissa matalien lämpötilojen koelaitteistojen materiaaleissa piilottelevien atomimittakaavan epäpuhtauksien vaikutusta optomekaanisen systeemin toimintaan, jotta niistä aiheutuvaan kohinaan voitaisiin todellisissa koejärjestelyissä varautua. Tutkimuksessa esitettiin myös koejärjestely itse säteilypainekytkennän vahvistamiseksi merkittävästi. Erittäin vahva kytkentä mahdollistaisi mekaanisten värähtelijöiden kvanttimekaanista luonnetta selvittäviä jatkotutkimuksia ja toisi lisätietoa klassisen ja kvanttimekaanisen maailman rajapinnasta.

Mekaanisten värähtelijöiden kvanttimekaanisiin ominaisuuksiin päästiin käsiksi myös väitöstutkimuksessa esitetyssä mittausjärjestelyssä Bell-testille. Bellin epäyhtälöt kuvaavat mittauksissa havaituille korrelaatioille rajoja, joiden rikkomiseen vaaditaan tutkittavalta systeemiltä kvanttimekaanista käytöstä. Tutkimus näytti teoreettisesti, miten optomekaanisessa koejärjestelyssä mekaanisen värähtelijän avulla voidaan luoda ei-klassisia korrelaatioita sen kanssa vuorovaikuttavaan valoon.

Mekaanista liikettä käytettiin hyväksi myös grafeenin, hiilen kaksiulotteisin muodon, magneettisten ominaisuuksien tutkimiseen. Magneettikentässä grafeenijohteen elektronit voivat asettua tietyille kvantittuneille energiatiloille. Mittauksissa havaittiin grafeeni-kulta-värähtelijän värähtelytaajuuden muutoksia seuraamalla kvantittuneista energiatasoista kumpuava de Haas–van Alphen -ilmiö. Tutkimus toi lisätietoa grafeenin magneettisista ominaisuuksista ja grafeeni-kulta-systeemin liikettä hyödyntävä uusi menetelmä voitaisiin ottaa käyttöön myös muiden kaksiulotteisten johteiden magnetisaation tutkimuksessa.

Vastaväittäjä on professori Klemens Hammerer, Leibniz Universität Hannover, Saksa

Kustos on professori Pertti Hakonen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väittelijän yhteystiedot: [email protected]

Väitöstilaisuus järjestetään kampuksella (Otakaari 1, sali M1).

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

Elektroninen väitöskirja