Hiukkasten kvanttiominaisuudet onnistuttiin osoittamaan kokeellisesti
Tuore Science-lehdessä julkaistu tutkimus tarkastelee anioneiksi kutsuttuja hiukkasia, jotka ovat kiinnostavia erityisesti kvanttitietokoneiden ja muiden kvanttiominaisuuksia hyödyntävien laitteiden näkökulmasta. Tutkimuksessa mitattiin ensimmäistä kertaa suoraan anionien kvanttiominaisuuksia. Työryhmää johtaa professori Gwendal Féve Ecole Normale Supérieure –yliopistosta ja tutkimus toteutettiin yhteistyössä Aalto-yliopiston kanssa.
Kolmiulotteisessa maailmassamme on vain kahdenlaisia fysiikassa tunnettuja hiukkasia: toisiaan hylkiviä fermioneja ja toisiaan puoleensa vetäviä bosoneja. Yksi yleisimmin tunnettu fermioni on sähköä kuljettava elektroni, bosoneista tunnetuin on valoa kuljettava fotoni. Kaksiulotteisessa maailmassa tunnetaan kuitenkin vielä anioneja, hiukkasia, jotka eivät käyttäydy fermionien eivätkä bosonien tavoin. Anionien ominaisuudet poikkeavat muiden tunnettujen partikkelien kvanttiominaisuuksista.
Anioneja on tutkittu 1970-luvulta lähtien, mutta hiukkasten kvanttiominaisuuksia ei ole tätä ennen pystytty kokeellisesti osoittamaan. Tutkijat ovat tähän saakka yrittäneet luoda ja mitata anioneja sulkemalla niitä nanokokoisiin säiliöihin ja mittaamalla niiden liikkumista, mutta näiden tutkimusten tulokset ovat toistaiseksi olleet kiistanalaisia.
Uusi tutkimus perustuu hyvin pieneen hiukkastörmäyttimeen.
”Hiukkastörmäyttimen halkaisija on ihmisen hiuksen kokoluokkaa. Törmäyttimessä hajotimme anioneita paljastaaksemme niiden todellisen kvanttiluonteen”, sanoo tohtorikoulutettava Hugo Bartolomei Ecole Normale Supérieure –yliopistosta.
”Kokeemme toimi kuin nelisuuntainen tienristeys, jossa kaksi tietä johti sisään ja kaksi ulos. Jos risteykseen lähetetään fermioneja eri sisäänmenotietä pitkin, ne kohtaavat risteyksessä ja lähtevät pois eri ulosmenoteitä pitkin. Jos risteykseen lähetetään vastaavasti bosoneja, ne kohtaavat risteyksessä ja lähtevät pois samaa tietä. Jos taas risteykseen lähetetään anioneja, ne käyttäytyvät aivan eri tavalla. Joskus ne yhdistyvät ja joskus ne lähtevät eri suuntiin. Yleensä ne kasaantuvat yhteen kuten bosonit, mutta niiden täsmällinen yhteenkuuluvuuden aste vaihtelee jaksollisesti niiden erityisen aaltoluonteen mukaisesti”, Aalto-yliopiston tutkija Manohar Kumar kertoo.
Tuore Science-lehdessä julkaistu tutkimus tarkastelee anioneiksi kutsuttuja hiukkasia, jotka ovat kiinnostavia erityisesti kvanttitietokoneiden ja muiden kvanttiominaisuuksia hyödyntävien laitteiden näkökulmasta. Tutkimuksessa mitattiin ensimmäistä kertaa suoraan anionien kvanttiominaisuuksia. Työryhmää johtaa professori Gwendal Féve Ecole Normale Supérieure –yliopistosta ja tutkimus toteutettiin yhteistyössä Aalto-yliopiston kanssa.
Tutkimuksessa keskityttiin niin sanottuihin abelialaisiin anioneihin, joita tarkasteltiin kokeellisesti. Teoreettisesti tunnetaan myös eksoottisempi hiukkastyyppi, niin kutsuttu ei-abelialainen anioni. Yleisesti nämä ei-abelialaiset hiukkaset käyttäytyvät matemaattisesti erityisellä tavalla, mikä tekee niistä houkuttelevia tutkimuskohteita kvanttiteknologian näkökulmasta.
”Tutkimuksessamme esitellään menetelmä, jolla abelialaisia anioneja voidaan vaihtaa keskenään. Jos myös ei-abelialaisia anioneja onnistutaan vaihtamaan keskenään, niistä voidaan muodostaa kvanttibitti eli kubitti. Tämä ominaisuus on keskeinen topologisessa kvanttilaskennassa ja kvanttitietokoneiden tutkimuksessa”, Manohar Kumar kertoo.
Tohtori Manohar Kumar tutkii nyt grafeenia ja kaksiulotteisia materiaaleja professori Pertti Hakosen tutkimusryhmässä Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella.
”Grafeeni voi mahdollistaa ei-abelialaisten anionien luomisen ja kokeellisen tutkimisen, joten jatkan nyt kokeen kehittämistä grafeenissa ja pyrin mittaamaan näiden uusien hiukkasten ominaisuuksia”, sanoo Manohar Kumar.
Aalto-yliopiston tutkimusryhmä on osa kansallista Kvanttiteknologian huippuyksikköä. Se hyödyntää tutkimuksessaan kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, jonka Kylmälaboratorio on myös osa eurooppalaista ultramatalien lämpötilojen EMP-tutkimusinfrastruktuuria.
Lisätietoja (englanniksi):
Lue lisää uutisia
ACRIS-järjestelmä jälleen käytettävissä
ACRIS-tutkimustietojärjestelmä on jälleen käytössä 13.–20.4.2026 toteutetun huoltokatkon jälkeen.
Tutustu ympäristön haitta-aineisiin kesäkoulussa Ranskan Alpeilla
Tutustu ympäristön haitta-aineisiin asiantuntijaluentojen, käytännön työpajojen ja kansainvälisen yhteistyön kautta – valituille opiskelijoille tarjotaan rahoitus matkakuluihin ja majoitukseen.
Tieteen äänen on pakko kuulua yhteiskunnassa – mutta miten?
Luottamus tieteeseen on laskenut Suomessa lähes kymmenen prosenttiyksikköä kahdessa vuodessa.