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

Aalto Töölön juhlasali
Kampus, Mediatiedotteet Julkaistu:

Aalto-yliopisto Töölö -rakennuksen peruskorjaus palautti 1950-luvun hengen

Kauppakorkeakoulun entinen päärakennus Runeberginkadulla uudistui vanhaa kunnioittaen moderniksi oppimisympäristöksi.
Bakteerien valmistamaa nanoselluloosaa
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat valjastivat bakteerit sokerilla ja proteiinilla käyviksi 3D-tulostimiksi

Bakteerit muodostivat räätälöityjä nanonselluloosarakenteita äärimmäisen vettähylkivän pinnan ohjaamina. Ainutlaatuista materiaalia voidaan käyttää esimerkiksi kudosvaurioiden korjaamisessa.
Amsterdamin konserttisali
Mediatiedotteet Julkaistu:

Konserttisalin soinnin tunnistaminen on luultua hankalampaa – testaa itse, pystytkö siihen vain musiikin perusteella

Soiton voimakkuus vaikuttaa paljon siihen, miten kuulija kokee salin akustiikan. Volyymi vaikuttaa myös tunteisiin: mitä enemmän se vaihtelee, sitä vahvempia tunnekokemuksia kuulijat saavat.
Aikalava
Mediatiedotteet Julkaistu:

Puukaupungit voisivat niellä lähes puolet sementtiteollisuuden hiilipäästöistä

Suomalaistutkijat selvittivät, miten paljon uudet puurakennukset voisivat varastoida hiiltä Euroopassa seuraavan 20 vuoden aikana.