Uutiset

Fyysikko Mika A. Sillanpää sai jo kolmannen EU:n miljoonarahoituksen – uusi tutkimushanke sovittaa yhteen kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa

Tutkijat ratkovat sata vuotta vanhaa fysiikan arvoitusta pienten kultapallojen ja äärimmäisen matalien lämpötilojen avulla. Värähtelevien pallojen välisen erittäin heikon painovoiman havainnointi voi ratkaista mysteerin.
The highly competed ERC Advanced Grant, awarded to leading top researchers, is the third ERC grant won by Professor Mika A. Sillanpää. In 2009, he received the ERC Starting Grant targeted at talented young researchers and, in 2013, he was awarded the ERC Consolidator Grant intended for top researchers establishing their careers. Picture: Aalto University.

Urallaan pitkälle edenneille huippututkijoille myönnettävä, äärimmäisen kilpailtu ERC Advanced Grant on jo Sillanpään kolmas ERC-rahoitus. Vuonna 2009 hän sai lahjakkaille nuorille tutkijoille tarkoitetun ERC Starting Grantin ja vuonna 2013 uraansa rakentavien huippututkijoiden ERC Consolidator Grantin. Kuva: Aalto-yliopisto.

Aalto-yliopiston professori Mika A. Sillanpää on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen GUANTUM-hankkeelle. Hankkeen tavoitteena on todeta painovoiman vaikutus kahden kultapallon kvanttimekaanisiin tiloihin ja värähtelyyn hyvin pienessä mittakaavassa ja äärimmäisen matalissa lämpötiloissa.

”Yritämme ratkaista tutkimuksella fysiikan sata vuotta vanhaa arvoitusta: sitä, että yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka eivät tule toimeen keskenään”, Sillanpää sanoo.

Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa maailmankaikkeutta, aika-avaruutta ja painovoimaa eli gravitaatiota. Kvanttimekaniikka taas on fysiikan osa-alue, joka tutkii atomien ja molekyylien kokoluokan hiukkasia. Kvanttimekaanisen järjestelmän sisäisiä gravitaatiovoimia ei ole koskaan havaittu, eivätkä tutkijat ole pystyneet luomaan molemmat kattavaa teoriaa. Tämän Sillanpää ryhmineen haluaa tutkimushankkeellaan muuttaa.

In the experiment, both gold spheres rest on a very thin membrane so that the spheres are close to each other but free to vibrate. A small gold sphere on a membrane is visible in the center of the image. Picture: Aalto University.
Kokeessa kultapallot lepäävät hyvin ohuen kalvon päällä siten, että pallot ovat lähellä toisiaan ja pääsevät värähtelemään. Kuvan keskellä pieni kultapallo näkyy kalvon päällä. Kuva: Aalto-yliopisto.

GUANTUM-hankkeessa tutkijat tuovat herkkinä värähtelijöinä toimivat, halkaisijaltaan puolen millimetrin kokoiset ja milligramman painoiset kultapallot kvanttimekaaniseen tilaan. Se on äärimmäisen suljettu järjestelmä, jossa ilmiöt voivat olla arkikäsityksen vastaisia. Samalla he havainnoivat erittäin heikkoa painovoimaa, joka saa kultapallot vetämään toisiaan puoleensa.

Kokeessa kumpikin kultapallo lepää hyvin ohuen kalvon päällä siten, että pallot ovat lähellä toisiaan ja pääsevät värähtelemään.

”Valitsimme kullan siksi, että se on erittäin tiheää eli sen gravitaatio on maksimoitu, vaikka kultapallon koko onkin suhteellisen pieni. Alustavan datan perusteella värähtelijän hyvyysluku oli uskomattoman hyvä eli kvanttimekaanisen järjestelmän energian häviö on pieni”, Sillanpää sanoo.

Kovaa puurtamista ja tähtihetkiä

Sillanpään tutkimusryhmä on valmis kokeilemaan kullan lisäksi muitakin alkuaineita. Esimerkiksi osmium on hyvin tiheä mutta harvinainen alkuaine, joka suprajohteena soveltuu sähköisten energiahäviöiden minimoimiseen, suprajohteessa kun ei ole sähköisiä häviöitä. Myös näytteen ohutkalvossa voi testata erilaisia materiaaleja ja sen antenneissa käyttää alumiinin sijasta muita suprajohteita, joissa on vielä pienemmät häviöt.

”Näytteen valmistus ja muukin osa tutkimuksesta on kovaa puurtamista. Vastaan voi tulla täysin yllättäviä ongelmia - sen näkee vasta sitten kun kokeilee”, Sillanpää kertoo.

Kvanttimekaanisten tilojen havaitseminen gravitaation rinnalla etenee tutkimuksessa askel askeleelta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkijat etsivät itse gravitaatiovoiman milligramman massojen välillä. Läheskään näin pienten massojen välistä painovoimaa ei ole koskaan tutkimuksissa havaittu, eikä ole selvää, päteekö normaali painovoiman laki näin pienessä mittakaavassa.

Seuraavaksi Sillanpään ryhmä tavoittelee gravitaation havaitsemista tilanteessa, jossa kultapallojen sisäinen kvanttimekaaninen epämääräisyys hallitsee niiden värähtelyä. Viimeisessä vaiheessa he pyrkivät havaitsemaan näytteessä kaikkein kvanttimekaanisimman tilan eli lomittumisen gravitaation ohessa. Sillanpään on ryhmineen julkaissut lomittumisesta eli kvanttimekaniikan haamuvuorovaikutuksesta Nature-lehden artikkelin vuonna 2018.

”On mahtavaa päästä ratkaisemaan ihmiskunnan suurimpia ratkaisemattomia kysymyksiä, vaikka laboratoriossa tähtihetket ovatkin harvassa. Kokeessa voi esiintyä nykyfysiikalle tuntemattomia ilmiöitä, kun värähtelijät saadaan kvanttimekaaniseen tilaan ja samalla niiden välillä on merkittävä painovoiman vuorovaikutus. Lähes aina olemme kuitenkin loppujen lopuksi onnistuneet tavoitteessamme”, Sillanpää sanoo.

Hankkeessa hyödynnetään OtaNano-infrastruktuuria, ja osa ERC-rahoituksesta menee uuden kryostaatin eli jäähdytyslaitteen hankintaan. Sen valmistaa Aalto-taustainen, kvanttiteknologiaan erikoistunut kotimainen spinoff-yritys Bluefors, ja se soveltuu hyvin pienien värähtelyjen mittaamiseen.

”Tämäntyyppiset mittaukset ovat hyvin herkkiä matalataajuisille häiriöille, jotka häiritsevät etsimiämme ilmiöitä. Näytteet lähtevät hyvin helposti itsekseen värähtelemään esimerkiksi tärinän vaikutuksesta”, Sillanpää sanoo.

Kvanttimekaniikkaa hyödynnetään esimerkiksi äärimmäisen tarkkojen mittausten teknologisessa kehityksessä ja kvantti-informaatiossa.

Lisätietoa:

Mika A. Sillanpää
Professori
Aalto-yliopisto
[email protected]
puh. 050 344 7330

Euroopan tutkimusneuvoston tiedote

Aalto-yliopiston tutkijoiden työssä käytettiin piisirulle valmistettuja noin 15 mikrometrin levyisiä rumpukalvoja, jotka soivat korkealla ultraäänitaajuudella. Mittauksissa kahden rummun värähtelyistä saatiin luotua Einsteinin ennustama erikoinen kollektiivinen kvanttitila. Kuva: Aalto-yliopisto/Petja Hyttinen & Olli Hanhirova, ARKH arkkitehdit Oy.

Einsteinin ennustama haamuvuorovaikutus todennettu massiivisten kappaleiden välillä

Kvanttilomittuminen on nyt havaittu ensi kertaa makroskooppisissa objekteissa.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Illustration image on a sunny day as the sun is setting, of Otakaari 2A, the lights in the building are lit and there are blurry images of people walking around. Grass and trees are green.
Kampus, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Uudisrakennus Marsio on näyteikkuna Aalto-yliopiston tutkimukseen, opetukseen ja vaikuttavuuteen

Kilpailun kautta valittu nimi on kunnianosoitus Aino Marsio-Aallolle.
FinnFusion is a collaboration aiming to make fusion energy a reality. Photo: VTT.
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon tutkijat tuovat heliumplasmakokeilla fuusioenergiaa lähemmäksi todellisuutta

Aalto-yliopiston tutkijat osallistuvat kansainväliseen projektiin, jonka tavoitteena on tukea fuusioenergian kehittämistä.
Vehnänjyviä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Miljardille ihmiselle vapautuisi ruokaa, jos maatalouden sivuvirtoja kierrätettäisiin tuotantoeläinten rehuksi

Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että ruokaa riittäisi jopa 13 prosenttia suuremmalle väestölle, jos tuotantoeläinten rehuna käytettäisiin enemmän maatalouden sivuvirtoja.
A satellite image of Borneo and part of Malaysia covered by plumes of smoke from fires. The many fires are marked on the map as red dots.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat osoittivat tekoälyn avulla: Turvesuopalojen riski kutistuu jopa neljännekseen maankäytön muutoksilla

Pahimpina vuosina Kaakkois-Aasian turvesuopalot aiheuttavat 30 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Maankäyttö on tasapainottelua uhkien, hyötyjen ja kustannusten välillä, sanovat Aalto-yliopiston tutkijat.