Uutiset

Hiukkasten kvanttiominaisuudet onnistuttiin osoittamaan kokeellisesti

Tutkimuksesta voi olla hyötyä kvanttitietokoneiden tutkimuksessa.
Cover image of science magazine
Kannen kuvitus: C. Bickel/Science.

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.

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.

Sample stage showing a close up of how the sample stage works
Yksi tutkimuksessa käytetyistä näytteistä. Kuva: Manohar Kumar.

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):

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Vihreällä kuvitustaustalla kuva Eeva Vilkkumaasta ja seminaarin otsikko
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

”Kun kova data ei riitä – asiantuntijalähtöiset mallit strategiatyössä”

Koronakriisin myötä strategisen ennakoinnin ja muutoskestävyyden merkitys on korostunut yrityksissä. Epävarmuuden hahmottamiseen ja strategian jatkuvaan päivittämiseen etsitään uusia menetelmiä ja lähestymistapoja.
Otaniemi campus above / photo: Aalto University, Matti Ahlgren
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Yli 300 yritysjohtajaa kertoi koronakriisin vaikutuksista: jäädytettyjä laajentumistoimia, kiihtynyttä innovaatiotoimintaa ja uusia osaamistarpeita

Kriisin ensivaiheesta on selvitty hyvin, mutta pitkän aikavälin kasvun tiellä on ongelmia, käy ilmi Aalto-yliopiston tuoreesta tutkimuksesta. Tutkijoiden mukaan erityisesti osaamisesta on muodostumassa yritysten uudistumisen pullonkaula.
Pitkäaikaissairauksien hoito on pirstaloitunutta ja kallista – ratkaisua haetaan virtuaalisesta hoidonohjaamosta
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Pitkäaikaissairauksien hoito on pirstaloitunutta ja kallista – ratkaisua haetaan virtuaalisesta hoidonohjaamosta

Aalto-yliopiston vetämässä miljoonahankkeessa ovat mukana Helsingin yliopisto sekä lukuisia alan yrityksiä.
Painted trees at Kipsari glass wall
Kampus, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Takeout-lainaamoiden joulutauko

Lainaamot ovat kiinni 19.12.2020 - 10.01.2021.