Uutiset

Tutkijat loivat maailman nopeimman Bosen–Einsteinin kondensaatin

Huippunopeuden todentaminen oli vaikea tehtävä, koska parhaatkaan laboratorioissa normaalisti käytettävät kamerat eivät yllä näihin nopeuksiin. Tutkijat käyttivät nopeuden määrittämiseen laserpulssia.
boson einstein
Fotonien energia laski ennätyksellisen nopeasti, ja kondensaatti muodostui vain muutamassa sadassa femtosekunnissa. Kondensaatin lähettämän valon intensiteetti jakautuu eri energioille Bosen ja Einsteinin ennusteen mukaisesti.

Bosen-Einsteinin kondensaatio on kvantti-ilmiö, jossa suuri määrä hiukkasia alkaa käyttäytyä kuin ne olisivat yksi ainoa hiukkanen. Ilmiö sai nimensä Albert Einsteinilta ja Satyendra Nath Boselta, jotka ennustivat sen 1900-luvun alussa.

Tähän päivään mennessä kondensaatteja on nähty monissa eri systeemeissä, esimerkiksi alkaliatomikaasuissa ja puolijohteissa, joihin on kytketty valoa. Nyt Aalto-yliopiston ja Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet luomaan valosta ja sen kanssa vuorovaikuttavista metallielektroneista ja väriainemolekyyleistä kondensaatin, joka muodostuu kaikkia edeltäjiään nopeammin. Tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Arkielämässä kondensaatio on tuttu ilmiö esimerkiksi kylmään juomatölkkiin kertyvästä huurteesta, joka syntyy, kun vesihöyry tiivistyy tölkin kylmään pintaan. Samaan tapaan kvanttimaailmassa hiukkasten täytyy tavalla tai toisella päästä eroon ylimääräisestä energiastaan kondensoituakseen alimpaan mahdolliseen energiatilaan. Tämä prosessi kestää tyypillisesti millisekunneista noin yhteen pikosekuntiin eli sekunnin biljoonasosaan.

Suomalaistutkijat saivat kuitenkin kondensaatin muodostumaan kymmenen kertaa aiempia ennätyksiä nopeammin, noin sadassa femtosekunnissa. Se on yhteen sekuntiin verrattuna yhtä lyhyt aika kuin päivä verrattuna maailmankaikkeuden ikään.

”Mittausdatan analyysi osoitti, että energian häviäminen tapahtuu stimuloidun prosessin kautta. Toisin sanoen fotonien eli valohiukkasten vuorovaikutus molekyylien kanssa kiihtyy, kun fotonien määrä kasvaa. Tämä ilmiö johtaa hämmästyttävään nopeuteen”, kertoo tutkijatohtori Aaro Väkeväinen.

Kohti sovelluksia

Huippunopeuden todentaminen oli vaikea tehtävä, koska parhaatkaan laboratorioissa normaalisti käytettävät kamerat eivät yllä näihin nopeuksiin. Tutkijat käyttivät aikaskaalan määrittämiseen laserpulssia.

”Kun annoimme näytteelle energiaa 50 femtosekunnin mittaisella laserpulssilla, havaitsimme kondensaatin. Mutta kun pulssin pituus oli 300 femtosekuntia, emme nähneet sitä. Nämä havainnot viittasivat siihen, että kondensaatin täytyy lähteä muodostumaan alle 300 femtosekunnin aikaskaalassa”, kertoo tohtorikoulutettava Antti Moilanen.

Kondensaatista lähtee valonsäde, jossa on suuri määrä fotoneita. Tämä auttaa erottamaan myös korkean energiatilan fotonit ja havaitsemaan niiden jakautumisen eri energiatiloille Bosen ja Einsteinin ennustamalla tavalla.

”Kondensaattimme tuottaa koherentin valonsäteen, joka on 100 000 kertaa kirkkaampi kuin ensimmäinen plasmonikondensaatti, jonka havaitsimme kaksi vuotta sitten. Säteen kirkkaus helpottaa kondensaattiin liittyvää perustutkimusta ja sovellusten kehittämistä”, kertoo akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Yhdelle ryhmän tutkimuksesta syntyneelle keksinnölle on juuri myönnetty patentti, ja tutkijat kehittävät keksintöä edelleen esimerkiksi valaistussovelluksiin.

Lisätietoa:

Päivi Törmä, akatemiaprofessori, Aalto yliopisto
puh. 050 382 6770
[email protected]

Tutkimusartikkeli: A.I. Väkeväinen, A.J. Moilanen, M. Nečada, T.K. Hakala, K.S. Daskalakis, P. Törmä. Sub-picosecond thermalization dynamics in condensation of strongly coupled lattice plasmons

Quantum Dynamics tutkimusryhmä

OtaNano

PREIN – Suomen Akatemian fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaiva

Kuva: Aalto yliopisto / Sofia Heikkinen, Antti Moilanen, Päivi Törmä

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Kuvituskuva, jossa nukkuu mustahiuksinen nainen kännykkä vierellään yöpöydällä
Tiedotteet Julkaistu:

Uniapnea uhkaa kansanterveyttä – opiskelijat kehittivät sovelluksen, joka tunnistaa sen oireita kotioloissa

Uniapnean diagnosointi on työlästä ja kallista, joten helppokäyttöinen menetelmä sen seulontaan ja pitkäaikaisseurantaan on erittäin tervetullut.
Aivokuori seuraa äänen piirteitä hyvin täsmällisesti ymmärtääkseen puhetta. Kuva: Aalto-yliopisto
Tiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Ihmisaivot seuraavat puhetta ajallisesti tarkemmin kuin muita ääniä

Tuore tutkimus osoittaa, että sanojen ymmärtäminen on aivoille millisekuntipeliä, mutta ympäristön ääniä ne tulkitsevat kokonaisuuksina. Tuloksista voi olla hyötyä, kun tutkitaan häiriöitä puheen käsittelyssä.
Violetti- ja beigesävyinen kuvituskuva, jossa näkyy ihmisiä ja numeroita
Tiedotteet Julkaistu:

Kohti parempaa hoitoa ja ennusteita – tekoäly tuottaa dataa synteettisesti

Mahdollisuus tuottaa suuria määriä tutkimusaineistoa keinotekoisesti helpottaa merkittävästi esimerkiksi covid19-taudin tutkintaa.
Changing the Aalto University's Metsähovi radio observatory radome. Photo: Kalle Kataila
Tiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Kuin 20-metrinen golfpallo – Metsähovin radioteleskooppi sai uuden suojakuvun

Metsähovin radiotutkimusaseman maamerkki suojaa teleskooppia ja mahdollistaa Auringon ja mustien aukkojen tutkimisen vuoden ympäri.