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

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.