Ikuinen liike on mahdollista – Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa havainnoitiin kahden fysiikan lait haastavan aikakiteen välistä vuorovaikutusta

Nobel-palkittu fyysikko ja Aalto-yliopiston vieraana kvanttiyhteisö InstituteQ:n tapahtumassa vastikään puhunut professori Frank Wilczek teoretisoi aikakiteiden olemassaolon vuonna 2012. Kokeellinen varmistus niiden olemassaololle saatiin vuonna 2016.

Nyt tutkijat ovat onnistuneet luomaan Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa kokeellisesti kaksi aikakidettä ja seuraamaan niiden välistä vuorovaikutusta.

Tutkimus julkaistiin äskettäin Nature Communication -lehdessä.

Tavallisessa kiteessä atomit tai molekyylit ovat järjestäytyneet säännölliseksi kiderakenteeksi. Aikakide taas on hiukkasryhmittymä, joka liikkuu ikuisesti ilman ulkopuolista energiaa, palaten samaan tilaan tietyin väliajoin. Sen säännöllisyys ilmenee siis ajallisesti eikä paikassa.

”Kaikki tietävät, että ikiliikkujat ovat mahdottomia. Kvanttifysiikassa ikuinen liike on kuitenkin mahdollista, joskin vain niin kauan, kun sitä ei havaita. Kytkemällä hiukkaset ympäristöönsä vain heikosti, onnistuimme luomaan jopa kaksi aikakidettä ja asettamaan ne vuorovaikutukseen keskenään”, Aallossa aikakidekokeen toteuttanut ja nyt Lancasterin yliopistossa tutkijana työskentelevä Samuli Autti sanoo.

Koe lähellä absoluuttista nollapistettä

Tutkijat jäähdyttivät kokeessa helium-3 -supranestettä kymmenestuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä, eli lämpömittari näytti lukemaa -273,15 °C. Sen jälkeen he loivat kaksi aikakidettä nesteen sisällä. Kiteet voivat elää jopa muutamia minuutteja, mikä on kvantti-ilmiöille huomattavan pitkä aika. Pitkän elinajan johdosta tutkijat ehtivät tarkkailla niiden ominaisuuksia ja vuorovaikutusta.

Aikakiteet muodostivat kokeessa yhdessä kvanttimekaanisen kaksitasojärjestelmän eli kahden kvanttitilan yhdistelmän, joka voi olla osittain kummassakin tilassa samaan aikaan.

Aalto-yliopiston tutkijatohtori Jere Mäkinen kertoo, että aikakiteiden tilaa voi kuvata oskillaatiolla eli siniaallolla, jolla on hiukkasmäärään liittyvä amplitudi ja aikakiteen energiatilaa kuvaava taajuus.

”Luomillamme aikakiteillä on se ero, että toisen taajuus muuttuu ajassa, toisen ei. Kokeessa nämä taajuudet saatiin risteämään mitattavalla alueella. Sillä hetkellä, kun aikakiteiden taajuudet ovat keskenään likimain samat, aikakiteet vuorovaikuttavat keskenään ja osa amplitudista siirtyy kiteeltä toiselle. Toisessa tekemistämme kokeista vakiona pysyvä aikakide oli alussa 'tyhjä' eli sen amplitudi oli nolla. Kun toisen aikakiteen taajuus sitten ristesi tyhjän aikakiteen taajuuden kanssa, siirtyi osa amplitudista alun perin tyhjälle kiteelle juuri kaksitasosysteemejä kuvaavan teorian ennustamalla tavalla”, Mäkinen selittää.

Hyvä esimerkki kaksitasojärjestelmästä on kubitti eli kvanttitietokoneen vastine tietokoneen bitille. Siinä missä tavallinen bitti voi saada joko arvon 0 tai 1, kubitti voi olla molempia samaan aikaan. Osittain tästä syystä kvanttitietokoneiden tiedonkäsittelykyky voi olla moninkertainen perinteisiin tietokoneisiin verrattuna.

Kaksitasojärjestelmän muodostumisen perusteella aikakiteitä voisi tulevaisuudessa hyödyntää erilaisissa laitteissa, kuten kvanttitietokoneiden muistina. Koska aikakiteitä on luotu myös huoneenlämpötilassa, niitä voisi hyödyntää myös huoneenlämmössä toimivissa kvanttilaitteissa. Mäkisen mukaan kiteiden tutkimus on kuitenkin vasta niin alussa, että mahdollisia sovelluskohteita voidaan vain spekuloida.

”Kvanttitietokoneiden lisäksi aikakiteistä voisi olla hyötyä esimerkiksi ajan äärimmäisen tarkassa mittaamisessa.”

Kylmälaboratorio, jossa koe suoritettiin, on osa Otaniemessä sijaitsevaa OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka on tutkijoiden ja yritysten käytössä.

Lisätietoja:

Jere Mäkinen
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
jere.makinen@aalto.fi
puh. 044 3675 125

Samuli Autti
Tutkija
Lancasterin yliopisto
s.autti@lancaster.ac.uk
puh. +44 7375926775

Katso alta aikakristallien olemassaolon teoretisoineen Nobel-voittaja Frank Wilczekin puhe Aalto-yliopistolla kvanttiyhteisö InstituteQ:n tapahtumassa 27. toukokuuta 2022.